Impactos Ambientais na Fotossíntese: Respostas e Limitações

9 A conversão da energia solar em energia química de compostos or gânicos é um processo complexo que inclui transporte de elétrons e metabolismo do carbono fotossintético ver Capítulos 7 e 8 Este capítulo trata de algumas das respostas fotossintéticas da folha intacta a seu ambien te As respostas fotossintéticas adicionais aos diferentes tipos de estresse são estudadas no Capítulo 24 Quando for discutida a fotossíntese neste capítulo será referida a taxa fotossintética líquida ou seja a diferença entre a assimilação fotossintética de carbono e a perda de CO2 via respiração mi tocondrial O impacto do ambiente sobre a fotossíntese é de interesse amplo em especial para fisiologistas ecólogos biólogos evolucionistas especialistas em mudanças climáticas e agrônomos Do ponto de vista fisiológico há in teresse em compreender as respostas diretas da fotossíntese a fatores am bientais como luz concentrações de CO2 do ambiente e temperatura assim como as respostas indiretas mediadas por efeitos do controle estomático a fatores como umidade do ar e umidade do solo A dependência de proces sos fotossintéticos em relação às condições ambientais é também importan te para os agrônomos pois a produtividade vegetal e em consequência a produtividade das culturas agrícolas dependem muito das taxas fotossinté ticas prevalecentes em um ambiente dinâmico Para o ecólogo a variação fotossintética entre ambientes diferentes é de grande interesse em termos de adaptação e evolução No estudo da dependência ambiental surge uma pergunta central como muitos fatores ambientais podem limitar a fotossíntese em determinado mo mento Em 1905 o fisiologista vegetal britânico F F Blackman formulou uma hipótese segundo a qual sob algumas condições especiais a velocidade da fotossíntese é limitada pela etapa mais lenta no processo o chamado fator limitante A implicação dessa hipótese é que em determinado momen to a fotossíntese pode ser limitada pela luz ou pela concentração de CO2 por exemplo mas não por ambos os fatores Essa hipótese tem tido uma influência marcante sobre a abordagem adotada por fisiologistas vegetais no estudo da fotossíntese que consiste em variar um fator e manter constan tes todas as demais condições ambientais Na folha intacta três processos Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas Taiz09indd 245 Taiz09indd 245 27102016 144025 27102016 144025 246 Unidade II Bioquímica e Metabolismo metabólicos principais têm sido identificados como im portantes para o desempenho fotossintético Capacidade da rubisco Regeneração da ribulose bifosfato RuBP de ribulose bisphosphate Metabolismo das trioses fosfato Graham Farquhar e Tom Sharkey acrescentaram uma perspectiva fundamentalmente nova à nossa compreensão da fotossíntese ao destacarem que se deve pensar nos con troles sobre as velocidades globais da fotossíntese líquida de folhas em termos econômicos considerando as funções de suprimento e demanda de dióxido de carbono Os processos metabólicos referidos ocorrem nas células dos parênquimas paliçádico e esponjoso da folha Figura 91 Essas atividades bioquímicas descrevem a demanda por CO2 pelo metabolismo fotossintético nas células Contu do a velocidade de suprimento de CO2 a essas células é determinada em grande parte pelas limitações da difusão resultantes da regulação estomática e subsequente resis tência no mesofilo As ações coordenadas de demanda pelas células fotossintetizantes e suprimento pelas célu lasguarda afetam a velocidade fotossintética foliar medida pela absorção líquida de CO2 Nas seções seguintes será enfocado como a variação de ocorrência natural na luz e na temperatura influencia a fotossíntese nas folhas e como elas por sua vez ajustam se ou aclimatamse a tal variação Será analisado também como o dióxido de carbono atmosférico influencia a fotos síntese uma consideração especialmente importante em um mundo onde as concentrações de CO2 estão crescendo rapidamente à medida que os seres humanos continuam a queimar combustíveis fósseis para produção de energia A fotossíntese é influenciada pelas propriedades foliares A gradação desde o cloroplasto o ponto central dos Capí tulos 7 e 8 até a folha acrescenta novos níveis de comple xidade à fotossíntese Ao mesmo tempo as propriedades estruturais e funcionais da folha possibilitam outros níveis de regulação Inicialmente é examinada a captura da luz e como a anatomia e a orientação foliares maximizam a absorção dela para a fotossíntese A seguir é descrito como as folhas se aclimatam a seu ambiente luminoso Vêse que a resposta fotossintética de folhas sob diferentes condições de luz re flete a capacidade de uma planta de crescer em ambientes luminosos distintos Contudo existem limites dentro dos quais a fotossíntese de uma espécie pode se aclimatar a am bientes luminosos muito diferentes Por exemplo em algu mas situações a fotossíntese é limitada por um suprimento inadequado de luz Em outras situações a absorção de luz em demasia provocaria problemas graves se mecanismos especiais não protegessem o sistema fotossintético do ex cesso de luminosidade Embora as plantas possuam níveis múltiplos de controle sobre a fotossíntese que lhes permi tem crescer com êxito nos ambientes em constante mudan ça existem limites para que isso seja possível Considere as muitas maneiras nas quais as folhas são expostas a espectros qualidades e quantidades diferentes de luz que resultam em fotossíntese As plantas que crescem ao ar livre são expostas à luz solar e o espectro desse fator dependerá de onde for realizada a medição se em plena luz do dia ou à sombra de um dossel As plantas que crescem em ambiente fechado podem receber iluminações incan descente ou fluorescente sendo cada uma delas diferente da luz solar Para explicar essas diferenças em qualidade e quantidade espectrais é necessário uniformizar o modo de medir e expressar a luz que influencia a fotossíntese A luz que chega à planta é um fluxo que pode ser me dido em unidades de energia ou de fótons Irradiância é o montante de energia que incide sobre um sensor plano de área conhecida por unidade de tempo e é expressa em watts por metro quadrado W m2 Lembre que o tempo segundos está contido no termo watt 1 W 1 joule J s1 Fluxo quântico ou densidade de fluxo fotônico PFD de photon flux density é o número de quanta quantum no singular incidentes que atinge a folha expresso em moles por metro quadrado por segundo mol m2 s1 onde moles se referem ao número de fótons 1 mol de luz 602 1023 fótons número de Avogadro As unidades de quanta e de energia para luz solar podem ser interconvertidas com re Folha de sol Folha de sombra A Epiderme Parênquima paliçádico Parênquima esponjoso 100 μm B Epiderme Figura 91 Imagem ao microscópio eletrônico de varredura da anatomia foliar de uma leguminosa Thermopsis montana crescen do sob diferentes ambientes quanto ao fator luz Observe que a folha de sol A é muito mais espessa que a folha de sombra B e que as células do parênquima paliçádico colunares são muito mais longas nas folhas que crescem à luz solar As camadas de células do parênquima esponjoso podem ser vistas abaixo do parênquima paliçádico Cortesia de T Vogelmann Taiz09indd 246 Taiz09indd 246 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 247 lativa facilidade desde que o comprimento de onda da luz λ seja conhecido A energia de um fóton está relacionada a seu comprimento de onda conforme a equação E hc λ onde c é a velocidade da luz 3 108 m s1 h é a constante de Planck 663 1034 J s e λ é o comprimento de onda da luz em geral expresso em nanômetros 1 nm 109 m A partir dessa equação é possível demonstrar que um fóton a 400 nm tem duas vezes mais energia que um fóton a 800 nm ver Tópico 91 na internet Quando se considera a fotossíntese e a luz é apropria do expressar a luz como densidade de fluxo fotônico fotos sintético PPFD de photosynthetic photon flux density o fluxo de luz em geral expresso como micromoles por metro quadrado por segundo μmol m2 s1 dentro do espectro fotossinteticamente ativo 400700 nm Qual é a quantida de de luz em um dia ensolarado Sob a luz solar direta em um dia claro a PPFD é de cerca de 2000 μmol m2 s1 no topo do dossel de uma floresta densa mas pode ser de ape nas 10 μmol m2 s1 no chão da floresta devido à absorção de luz pelas folhas dispostas nos estratos superiores A anatomia foliar e a estrutura do dossel maximizam a absorção da luz Em média cerca de 340 W da energia radiante do sol alcan çam cada metro quadrado da superfície da Terra Quando essa luz solar atinge a vegetação apenas 5 da energia são definitivamente convertidos em carboidratos pela fotossín tese Figura 92 O motivo dessa porcentagem tão baixa é que grande parte da luz tem um comprimento de onda demasiadamente curto ou longo para ser absorvido pelos pigmentos fotossintéticos Figura 93 Além disso da ra diação fotossinteticamente ativa 400700 nm que incide sobre uma folha uma porcentagem pequena é transmitida através dela e parte também é refletida a partir de sua su perfície Como a clorofila absorve fortemente nas regiões do azul e do vermelho do espectro ver Figura 73 os com primentos de onda na faixa do verde são dominantes na luz transmitida e refletida ver Figura 93 por isso a cor verde da vegetação Por fim uma porcentagem da radia ção fotossinteticamente ativa inicialmente absorvida pela folha é perdida pelo metabolismo e uma quantidade menor é perdida como calor ver Capítulo 7 A anatomia da folha é altamente especializada para a absorção de luz A camada celular mais externa a epider me normalmente é transparente à luz visível e suas célu las com frequência são convexas As células epidérmicas convexas podem atuar como lentes e concentrar a luz de modo que a intensidade que atinge alguns dos cloroplas tos muitas vezes pode ser maior que a intensidade da luz do ambiente A concentração epidérmica de luz comum em plantas herbáceas é especialmente proeminente em plantas tropicais de subbosque florestal onde os níveis de luz são muito baixos Figura 92 Conversão da energia solar em carboidratos por uma folha Do total de energia incidente apenas 5 são convertidos em carboidratos 20 40 500 600 700 800 400 0 60 80 100 80 100 60 40 20 0 Porcentagem de luz transmitida Porcentagem de luz refletida Comprimento de onda nm Luz absorvida Luz transmitida Luz refletida Radiação fotossinteticamente ativa Figura 93 Propriedades ópticas de uma folha de feijoeiro sen do mostradas as porcentagens de luz absorvida refletida e transmi tida em função do comprimento de onda A luz verde é transmitida e refletida na faixa de 500 a 600 nm conferindo cor verde às folhas Observe que a maior parte da luz acima de 700 nm não é absorvida pela folha De Smith 1986 Energia solar total 100 Comprimentos de onda não absorvidos perda de 50 Reflexão e transmissão perda de 15 Dissipação de calor perda de 10 Metabolismo perda de 20 5 25 35 50 Carboidrato Taiz09indd 247 Taiz09indd 247 27102016 144025 27102016 144025 248 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Sob a epiderme encontramse camadas de células fo tossintetizantes que constituem o parênquima paliçádico elas são semelhantes a pilares dispostos em colunas para lelas de uma a três camadas de profundidade ver Figura 91 Algumas folhas têm várias camadas de células pali çádicas podendo ser questionado se é eficiente para uma planta investir energia no desenvolvimento de múltiplas camadas celulares quando o alto conteúdo de clorofila da primeira camada parece permitir pouca transmissão da luz incidente para o interior da folha De fato mais luz do que pode ser esperado penetra na primeira camada do tecido paliçádico por causa do efeito peneira e da canalização da luz O efeito peneira ocorre porque a clorofila não está distribuída uniformemente pelas células mas sim confi nada aos cloroplastos Essa disposição da clorofila provoca sombreamento entre suas moléculas e cria lacunas entre os cloroplastos onde luz é absorvida por isso a referên cia a uma peneira Devido ao efeito peneira a absorção total de luz por determinada quantidade de clorofila em uma célula do parênquima paliçádico é menor que a luz que seria absorvida pela mesma quantidade de clorofila distribuída uniformemente em uma solução A canalização da luz ocorre quando parte da luz inci dente é propagada pelos vacúolos centrais das células pali çádicas e pelos espaços intercelulares uma disposição que facilita a transmissão da luz para o interior da folha No interior abaixo das camadas paliçádicas localizase o pa rênquima esponjoso cujas células têm formas muito ir regulares e são delimitadas por grandes espaços de ar ver Figura 91 Esses espaços geram muitas interfaces entre ar e água que refletem e refratam a luz o que torna aleatória sua direção de movimento Esse fenômeno é denominado difusão da luz na interface A difusão da luz é especialmente importante nas fo lhas pois as reflexões múltiplas entre as interfaces célula ar aumentam muito o comprimento do caminho de des locamento dos fótons ampliando assim a probabilidade de absorção Na realidade os comprimentos das trajetórias dos fótons dentro das folhas são comumente quatro vezes mais longos do que a espessura foliar Portanto as proprie dades das células do parênquima paliçádico que permitem a passagem direta da luz e as propriedades das células do parênquima esponjoso que servem à dispersão da luz re sultam em absorção de luz mais uniforme por toda a folha Em alguns ambientes como os desertos há muita luz o que é potencialmente prejudicial à maquinaria fo tossintética das folhas Nesses ambientes as folhas com frequência possuem características anatômicas especiais como tricomas glândulas de sal e cera epicuticular que aumentam a reflexão de luz junto à superfície foliar redu zindo desse modo sua absorção Tais adaptações podem diminuir a absorção de luz em 60 reduzindo assim o superaquecimento e outros problemas associados à absor ção de energia solar em demasia Considerando a planta inteira as folhas dispostas no topo de um dossel absorvem a maior parte da luz solar e reduzem a quantidade de radiação que alcança as folhas inferiores As folhas sombreadas por outras folhas estão expostas a níveis mais baixos de luz e a uma qualidade de luz diferente em relação às folhas acima delas e têm taxas fotossintéticas muito mais baixas No entanto como as camadas de uma folha individual a estrutura da maioria das plantas e das árvores especialmente representa uma adaptação notável para interceptação da luz A estrutura elaborada de ramificação de árvores aumenta bastante a intercepção da luz solar Além disso as folhas em níveis diferentes do dossel exibem morfologia e fisiologia varia das o que ajuda a melhorar a captura da luz Em conse quência pouquíssima PPFD penetra até a parte inferior do dossel a PPFD é quase toda absorvida pelas folhas antes de alcançar o chão da floresta Figura 94 A sombra profunda no chão de uma floresta portan to contribui para um ambiente de crescimento desafiador para as plantas Em muitos ambientes sombrios entre tanto as manchas de sol constituem uma característica ambiental comum que permite níveis elevados de luz em estratos profundos do dossel Elas são porções de luz solar que passam por pequenas clareiras no dossel à medida que o sol se desloca as manchas de sol se movem pelas folhas normalmente sombreadas A despeito da natureza curta e efêmera das manchas de sol seus fótons constituem quase 50 da energia luminosa total disponível durante o dia Em uma floresta densa as manchas de sol podem alterar a luz solar que atinge uma folha de sombra em mais de dez ve zes por segundo Essa energia fundamental está disponível por apenas alguns minutes em uma quantidade muito alta Muitas espécies de sombra profunda submetidas a manchas 400 PPFD relativa 500 600 700 800 Comprimento de onda nm Luz do dia Dossel Vapor de H2O Azul Verde Vermelho Vermelho distante Radiação fotossinteticamente ativa Figura 94 Distribuição espectral relativa da luz solar no topo de um dossel e sob ele A maior parte da radiação fotossinteticamente ativa é absorvida pelas folhas do dossel De Smith 1994 Taiz09indd 248 Taiz09indd 248 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 249 de sol possuem mecanismos fisiológicos para tirar proveito da ocorrência desse pulso de luz As manchas de sol tam bém exercem um papel no metabolismo do carbono de la vouras densamente cultivadas em que as folhas inferiores da planta são sombreadas pelas folhas superiores O ângulo e o movimento da folha podem controlar a absorção da luz O ângulo da folha em relação ao sol determina a quan tidade de luz solar incidente sobre ela A luz solar inci dente pode atingir uma superfície foliar plana em diversos ângulos dependendo do período do dia e da orientação da folha A radiação incidente máxima ocorre quando a luz solar atinge uma folha perpendicular à sua superfície Quando os raios de luz desviam da perpendicular no en tanto a luz solar incidente sobre uma folha é proporcional ao ângulo em que os raios alcançam a superfície Sob condições naturais as folhas expostas à luz solar plena no topo do dossel tendem a apresentar ângulos ín gremes Desse modo uma quantidade de luz solar menor que o máximo incide sobre a lâmina foliar isso permite que mais luz solar atravesse o dossel Por essa razão é comum constatar que o ângulo das folhas dentro de um dossel decresce tornase mais horizontal com a profun didade crescente no dossel Algumas folhas maximizam a absorção da luz pelo acompanhamento do sol isto é elas ajustam continua mente a orientação de suas lâminas de modo a permanece rem perpendiculares aos raios solares Figura 95 Muitas espécies incluindo alfafa algodoeiro soja feijoeiro e tre moço possuem folhas capazes de acompanhar a trajetória solar As folhas que se posicionam segundo a trajetória so lar apresentam uma posição quase vertical ao nascer do sol voltandose para o leste Após as lâminas foliares começam a acompanhar o nascimento do sol seguindo seu movi mento com uma precisão de 15o até o crepúsculo quando se tornam quase verticais voltadas para o oeste Durante a noite as folhas assumem uma posição horizontal e se reo rientam para o horizonte leste antecipando outro nascer do sol As folhas acompanham o sol somente em dias claros interrompendo o movimento quando uma nuvem obscure ce o sol No caso de uma cobertura intermitente de nuvens algumas folhas conseguem reorientarse rapidamente em 90o por hora podendo assim ajustarse à nova posição do sol quando este emerge por trás de uma nuvem O ajuste das folhas à trajetória solar é uma resposta à luz azul ver Capítulo 16 e a sensação desse tipo de luz ocorre em regiões especializadas da folha ou do caule Em espécies de Lavatera Malvaceae a região fotossensível está localizada nas nervuras foliares principais ou perto delas Porém em muitas espécies em especial de Fabaceae a orientação foliar é controlada por um órgão especializado denominado pulvino encontrado na junção entre a lâmina e o pecíolo Nos tremoços Lupinus Fabaceae por exemplo as folhas consistem em cinco ou mais folíolos e a região fotossensível está em um pulvino localizado na parte basal de cada folíolo ver Figura 95 O pulvino contém células motoras que mudam seu potencial osmótico e geram forças mecânicas determinantes da orientação laminar Em ou tras espécies a orientação foliar é controlada por pequenas mudanças mecânicas ao longo do pecíolo e por movimen tos das partes mais jovens do caule Heliotropismo é outro termo empregado para descre ver a orientação foliar pelo acompanhamento do sol As folhas que maximizam a interceptação da luz mediante ajuste à trajetória do sol são referidas como diaheliotrópi cas Algumas espécies que ajustam sua posição de acordo com a trajetória do sol podem também mover suas folhas de modo a evitar a exposição total à luz solar minimizan do assim o aquecimento e a perda de água Essas folhas que evitam o sol são chamadas de paraheliotrópicas Al gumas espécies vegetais como a soja possuem folhas que podem exibir movimentos diaheliotrópicos quando bem hidratadas e movimentos paraheliotrópicos quando submetidas ao estresse hídrico As folhas aclimatamse a ambientes ensolarados e sombrios Aclimatação é um processo de desenvolvimento em que as folhas expressam um conjunto de ajustes bioquímicos e mor fológicos apropriados ao ambiente particular no qual elas es A B Figura 95 Movimento foliar em plantas que se ajustam à po sição do sol A Orientação foliar inicial no tremoço Lupinus suc culentus sem luz solar direta B Orientação foliar 4 horas após exposição à luz oblíqua As setas indicam a orientação da fonte lu minosa O movimento é gerado por intumescência assimétrica de um pulvino encontrado na junção da lâmina com o pecíolo Em condições naturais as folhas acompanham a trajetória do sol De Vogelmann e Björn 1983 cortesia de T Vogelmann Taiz09indd 249 Taiz09indd 249 27102016 144025 27102016 144025 250 Unidade II Bioquímica e Metabolismo tão expostas A aclimatação pode ocorrer em folhas maduras e naquelas em desenvolvimento recente Plasticidade é o termo utilizado para definir em que extensão o ajuste pode ocorrer Muitas espécies vegetais têm suficiente plasticidade de desenvolvimento para responder a uma gama de regimes de luz crescendo como plantas de sol em áreas ensolaradas e como plantas de sombra em hábitats sombrios A capacidade de aclimatarse é importante visto que os hábitats sombrios podem receber menos de 20 da PPFD disponível em um ambiente exposto e os hábitats profundamente sombrios re cebem menos de 1 da PPFD incidente no topo do dossel Em algumas espécies vegetais as folhas individuais que se desenvolvem em ambientes ensolarados ou profun damente sombrios muitas vezes são incapazes de persistir quando transferidas para outro tipo de hábitat Em tais ca sos a folha madura abscindirá e uma folha nova se desen volverá mais bem ajustada ao novo ambiente Isso pode ser observado se uma planta desenvolvida em ambiente fechado for transferida para o ar livre se ela for o tipo apropriado de planta será desenvolvido um novo conjun to de folhas mais adequadas à luz solar elevada Contudo algumas espécies vegetais não são capazes de se aclimatar quando transferidas de um ambiente ensolarado para um sombrio ou viceversa A falta de aclimatação indica que essas espécies são especializadas para um ambiente en solarado ou um ambiente sombrio Quando plantas adap tadas a situações de sombra profunda são transferidas para um ambiente com luz solar plena as folhas sofrem de fotoinibição crônica descoloração e finalmente morrem A fotoinibição será discutida mais adiante neste capítulo As folhas de sol e as folhas de sombra têm caracterís ticas bioquímicas e morfológicas contrastantes As folhas de sombra aumentam a captura de luz por terem mais clorofila total por centro de reação razão mais alta entre clorofila b e clorofila a e lâminas geral mente mais finas do que as das folhas de sol As folhas de sol aumentam a assimilação de CO2 por terem mais rubisco e conseguem dissipar o excesso de energia luminosa por terem um grande pool de com ponentes do ciclo da xantofila ver Capítulo 7 Mor fologicamente essas folhas são mais espessas e têm camada paliçádica mais espessa em relação às folhas de sombra ver Figura 91 Essas modificações morfológicas e bioquímicas estão as sociadas a respostas específicas de aclimatação à quantida de de luz solar no hábitat da planta mas a qualidade da luz também pode influenciar tais respostas Por exemplo a luz vermelhodistante que é absorvida principalmente pelo fotossistema I PSI de photosystem I é proporcionalmente mais abundante nos hábitats sombrios do que nos enso larados ver Capítulo 18 Para equilibrar melhor o fluxo de energia através de PSII e PSI a resposta adaptativa de algumas plantas de sombra é produzir uma razão mais alta entre os centros de reação de PSII e PSI em compa ração com a encontrada em plantas de sol Outras plantas de sombra em vez de alterar a razão entre os centros de reação de PSII e PSI adicionam mais clorofila de antenas ao PSII para aumentar a absorção por esse fotossistema Essas mudanças parecem intensificar a absorção de luz e a transferência de energia em ambientes sombrios Efeitos da luz na fotossíntese na folha intacta A luz é um recurso fundamental que limita o crescimento vegetal mas eventualmente as folhas podem ser expos tas à luz em demasia em vez de à escassez de luz Nesta seção são descritas as típicas respostas fotossintéticas à luz medidas pelas curvas de resposta à luz Consideram se também que características de uma curva de resposta à luz podem ajudar a explicar as propriedades fisiológicas contrastantes entre plantas de sol e de sombra bem como entre espécies C3 e C4 A seção é concluída com descrições de como as folhas respondem ao excesso de luz As curvas de resposta à luz revelam propriedades fotossintéticas A medição da fixação líquida de CO2 em folhas intactas por níveis variados de PPFD gera curvas de resposta à luz Figura 96 Próximo do escuro há pouca assimilação de 5 0 5 10 15 20 25 200 400 PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 600 800 1000 0 Limitada pela carboxilação Limitada pela luz Ponto de compensação da luz absorção de CO2 liberação de CO2 Inclinação inicial Produtividade quântica Taxa de respiração no escuro Figura 96 Resposta fotossintética à luz em uma espécie C3 No escuro a respiração causa um efluxo líquido de CO2 oriundo da planta O ponto de compensação da luz é alcançado quando a assi milação fotossintética de CO2 se iguala à quantidade de CO2 libera da pela respiração Aumentando a luz acima do ponto de compen sação a fotossíntese elevase proporcionalmente indicando que ela é limitada pela taxa de transporte de elétrons a qual por sua vez é limitada pela quantidade de luz disponível Essa porção da curva é referida como limitada pela luz Outros aumentos na fotossíntese são posteriormente limitados pela capacidade de carboxilação da rubisco ou pelo metabolismo das trioses fosfato Essa parte da cur va é referida como limitada pela carboxilação Taiz09indd 250 Taiz09indd 250 27102016 144025 27102016 144025 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 251 carbono mas como a respiração mitocondrial continua o CO2 é emitido pela planta ver Capítulo 12 A absorção de CO2 é negativa nessa parte da curva de resposta à luz Sob níveis mais altos de PPFD a assimilação fotossintética de CO2 finalmente alcança um ponto em que a absorção e a liberação de CO2 são exatamente equilibradas Isso é deno minado ponto de compensação da luz A PPFD em que diferentes folhas alcançam o ponto de compensação da luz pode variar entre as espécies e com as condições de desen volvimento Uma das diferenças mais interessantes é en contrada entre espécies que normalmente crescem sob luz solar plena e aquelas que crescem à sombra Figura 97 Os pontos de compensação da luz de espécies de sol variam de 10 a 20 μmol m2 s1 enquanto os valores correspondentes de espécies de sombra são de 1 a 5 μmol m2 s1 Por que os pontos de compensação da luz são mais baixos para espécies de sombra Geralmente isso aconte ce porque as taxas de respiração são baixas em espécies de sombra portanto apenas uma pequena taxa fotossintética líquida é necessária para levar a zero as taxas líquidas de troca de CO2 As taxas de respiração baixas permitem às espécies de sombra sobreviver em ambientes com limita ção de luz por sua capacidade de atingir taxas de absorção de CO2 positivas em valores mais baixos de PPFD do que as espécies de sol Uma relação linear entre a PPFD e a taxa fotossin tética persiste em níveis luminosos acima do ponto de compensação da luz ver Figura 96 Em toda essa porção linear da curva de resposta à luz a fotossíntese é limitada pela luz mais luz estimula proporcionalmente mais fotos síntese Quando corrigida para absorção de luz a incli nação dessa porção linear da curva proporciona a produ tividade quântica máxima de fotossíntese para a folha Folhas de espécies de sol e de sombra exibem produtivida des quânticas muito similares a despeito de seus hábitats de crescimento diferentes Isso acontece porque os proces sos bioquímicos básicos que determinam a produtividade quântica são os mesmos para esses dois tipos de espécies Contudo a produtividade quântica pode variar entre es pécies com rotas fotossintéticas distintas A produtividade quântica é a razão entre determinado produto dependente de luz e o número de fótons absorvi dos ver Equação 75 A produtividade quântica fotossin tética pode ser expressa sobre uma base de CO2 ou uma de O2 conforme explicado no Capítulo 7 a produtivida de quântica da fotoquímica é de cerca de 095 Contudo a produtividade quântica fotossintética máxima de um processo integrado como a fotossíntese é mais baixa que a produtividade teórica quando medida em cloroplastos organelas ou em folhas inteiras Com base na bioquímica discutida no Capítulo 8 a produtividade quântica máxima teórica esperada para a fotossíntese de espécies C3 é de 0125 uma molécula de CO2 fixada por oito fótons absor vidos Porém nas condições atmosféricas atuais 400 ppm de CO2 21 de O2 as produtividades quânticas medidas para CO2 de folhas C3 e C4 variam de 005 a 006 mol de CO2 por mol de fótons Em espécies C3 a redução do máximo teórico é causa da principalmente pela perda de energia pela fotorrespira ção Nas espécies C4 a redução é causada pelas demandas adicionais de energia do mecanismo concentrador de CO2 e pelo custo potencial da refixação de CO2 que se difun diu para fora a partir do interior das células da bainha vas cular Se folhas de espécies C3 forem expostas a concen trações baixas de O2 a fotorrespiração é minimizada e a produtividade quântica máxima aumenta em cerca de 009 mol de CO2 por mol de fótons Por outro lado se folhas de espécies C4 forem expostas a concentrações baixas de O2 as produtividades quânticas para a fixação de CO2 perma necem constantes em cerca de 005 a 06 mol de CO2 por mol de fótons Isso ocorre porque o mecanismo concen trador de carbono na fotossíntese C4 elimina quase toda a liberação de CO2 via fotorrespiração Em PPFD mais alta ao longo da curva de resposta à luz a resposta fotossintética à luz começa a estabilizar se ver Figuras 96 e 97 e por fim alcança a saturação Além do ponto de saturação da luz a fotossíntese líquida não aumenta mais indicando que outros fatores que não a luz incidente como a taxa de transporte de elétrons a atividade de rubisco ou o metabolismo das trioses fosfato tornamse limitantes à fotossíntese Os níveis de satura ção da luz para espécies de sombra são substancialmente mais baixos do que os para espécies de sol ver Figura 97 0 4 4 8 12 16 20 24 28 32 400 800 PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 1200 1600 2000 0 Atriplex triangularis espécie de sol Asarum caudatum espécie de sombra Figura 97 Curvas de resposta à luz da fixação fotossintética de carbono em espécies de sol e de sombra Armole triangular Atri plex triangularis é uma espécie de sol e o gengibreselvagem Asa rum caudatum é uma espécie de sombra As espécies de sombra em geral têm ponto de compensação da luz baixo e taxas fotossin téticas máximas mais baixas quando comparadas às espécies de sol A linha vermelha tracejada foi extrapolada da parte medida da curva De Harvey 1979 Taiz09indd 251 Taiz09indd 251 27102016 144026 27102016 144026 252 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Isso vale também para folhas da mesma planta quando cultivada ao sol versus sombra Figura 98 Esses níveis em geral refletem a PPFD máxima à qual a folha foi expos ta durante o crescimento A curva de resposta à luz da maioria das folhas satura entre 500 e 1000 μmol m2 s1 bem abaixo da luz solar plena que é de cerca de 2000 μmol m2 s1 Uma exceção é representada pelas folhas de culturas bem fertilizadas que com frequência saturam acima de 1000 μmol m2 s1 Embora as folhas individuais raramente sejam capazes de utilizar a luz solar plena as plantas inteiras em geral con sistem em muitas folhas que fazem sombra umas para as outras Assim em determinado momento do dia apenas uma pequena proporção das folhas está exposta ao sol ple no em especial em plantas com copas densas O resto das folhas recebe fluxos fotônicos subsaturantes oriundos de manchas solares que passam através de clareiras no dos sel luz difusa e luz transmitida por outras folhas Uma vez que a resposta fotossintética da planta intac ta é a soma da atividade fotossintética de todas as folhas raramente a fotossíntese é saturada de luz em nível da planta inteira Figura 99 Por essa razão a produtividade de uma lavoura em geral está relacionada à quantidade to tal de luz recebida durante a estação de crescimento e não à capacidade fotossintética de uma única folha Com água e nutrientes suficientes quanto mais luz a lavoura receber mais alta é a biomassa produzida As folhas precisam dissipar o excesso de energia luminosa Quando expostas ao excesso de luz as folhas precisam dissipar o excedente de energia luminosa absorvido para impedir dano ao aparelho fotossintético Figura 910 Existem várias rotas de dissipação de energia que envol vem o quenching não fotoquímico ver Capítulo 7 o quen ching da fluorescência da clorofila por mecanismos que não os fotoquímicos O exemplo mais importante envolve a transferência de energia luminosa absorvida para longe do transporte de elétrons voltado para a produção de ca lor Embora os mecanismos moleculares ainda não sejam totalmente compreendidos o ciclo das xantofilas parece ser um caminho importante para dissipação do excesso de energia luminosa ver Ensaio 91 na internet CICLO DAS XANTOFILAS O ciclo das xantofilas que compreende os três carotenoides violaxantina anteraxan tina e zeaxantina demonstra uma capacidade de dissipar o excesso de energia luminosa na folha ver Figura 733 Sob luminosidade alta a violaxantina é convertida em an teraxantina e depois em zeaxantina Os dois anéis aromá 0 10 20 30 40 500 1000 PPFD μmol m2 s1 1500 Cultivada sob PPFD de 920 μmol m2 s1 sol Cultivada sob PPFD de 92 μmol m2 s1sombra 2000 2500 0 Atriplex triangularis espécie de sol Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Figura 98 Curva de resposta à luz da fotossíntese de uma es pécie de sol cultivada sob condições de sol e de sombra A curva superior representa uma folha de A triangularis submetida a uma PPFD 10 vezes maior do que a da curva inferior Na planta sob níveis de luz mais baixos a fotossíntese satura a uma PPFD substancial mente mais baixa indicando que as propriedades fotossintéticas de uma folha dependem de suas condições de crescimento A linha vermelha tracejada foi extrapolada da parte medida da curva De Björkman 1981 0 10 20 30 40 500 1000 1500 0 Dossel Parte aérea caule e folha Acículas individuais PPFD μmol m2 s1 Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Figura 99 Mudanças na fotossíntese expressas sobre uma base por metro quadrado em acículas individuais uma parte aérea caule e folhas complexa e um dossel de uma floresta de espruce Picea sitchensis em função da PPFD As partes aéreas complexas consis tem em agrupamentos de acículas em que muitas vezes uns som breiam outros similar à situação em um dossel onde os ramos fre quentemente fazem sombra para outros ramos Como consequência do sombreamento são necessários níveis de PPFD muito mais altos para saturar a fotossíntese A porção tracejada da linha do dossel foi extrapolada da parte medida da curva De Jarvis e Leverenz 1983 Taiz09indd 252 Taiz09indd 252 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 253 ticos de violaxantina têm um átomo de oxigênio ligado Na anteraxantina apenas um dos dois anéis tem um oxigênio ligado e na zeaxantina nenhum dos dois Das três xanto filas a zeaxantina é a mais eficaz na dissipação do calor e a anteraxantina apresenta apenas a metade da eficácia En quanto os níveis de anteraxantina permanecem relativa mente constantes durante o dia o conteúdo de zeaxantina aumenta sob PPFD alta e diminui sob PPFD baixa Em folhas que crescem sob luz solar plena a zeaxanti na e a anteraxantina representam até 40 do pool total do ciclo da xantofila em níveis máximos de PPFD alcançados ao meiodia Figura 911 Nessas condições uma quanti dade substancial do excesso de energia luminosa absorvida pelos tilacoides pode ser dissipada como calor evitando assim dano à maquinaria fotossintética do cloroplasto ver Capítulo 7 As folhas expostas à luz solar plena contêm um pool de xantofilas substancialmente maior que as folhas de sombra de modo que elas podem dissipar quantidades mais altas do excesso de energia luminosa Todavia o ciclo das xantofilas também opera em plantas que crescem com pouca luz no interior da floresta onde ocasionalmente são expostas a manchas de sol A exposição a uma mancha de sol resulta na conversão de grande quantidade da violaxan tina presente na folha em zeaxantina O ciclo das xantofilas também é importante em espé cies que permanecem verdes durante o inverno quando as taxas fotossintéticas são muito baixas ainda que a absor ção de luz permaneça elevada Diferentemente da ciclagem diurna do pool de xantofilas observada no verão os níveis de zeaxantina permanecem altos o dia inteiro durante o inver no Esse mecanismo maximiza a dissipação da energia lu minosa protegendo assim as folhas contra a fotooxidação quando o frio do inverno impede a assimilação de carbono MOVIMENTOS DOS CLOROPLASTOS Um modo alter nativo de reduzir o excesso de energia luminosa é movi mentar os cloroplastos de maneira que não sejam expostos à luz elevada O movimento de cloroplastos é comum em algas musgos e folhas de plantas superiores Se a orienta ção e a posição dos cloroplastos forem controladas as folhas podem regular o quanto de luz incidente é absorvido No escuro Figura 912A e B os cloroplastos acumulamse nas superfícies celulares paralelamente ao plano da folha de modo a ficarem alinhados perpendicularmente à luz inci dente uma posição que maximiza a absorção de luz Sob luz forte Figura 912C os cloroplastos deslocam se para as superfícies celulares paralelas à luz incidente evitando assim sua absorção em excesso Tal reordena ção dos cloroplastos pode diminuir a quantidade de luz absorvida pela folha em cerca de 15 O movimento de cloroplastos em folhas é uma resposta típica à luz azul ver Capítulo 16 A luz azul também controla a orientação dos cloroplastos em muitas plantas inferiores mas em algu mas algas o movimento dos cloroplastos é controlado por fitocromo Nas folhas o deslocamento dos cloroplastos 0 10 20 30 40 50 60 70 200 400 600 PPFD μmol m2 s1 Evolução fotossintética de oxigênio Evolução fotossintética de O2 μmol m2 s1 Excesso de energia luminosa 20 6 h 12 h 18 h 0 40 60 80 500 0 1000 1500 2000 100 Xantofilas mmol mol Chl a b1 PPFD μmol m2 s1 Período do dia Zeaxantina Anteraxantina Violaxantina Luz Figura 910 Excesso de energia luminosa em relação a uma cur va de evolução fotossintética de oxigênio em resposta à luz em uma folha de sombra A linha tracejada mostra a evolução teórica de oxigênio na ausência de qualquer limitação à fotossíntese Em níveis de PPFD de até 150 μmol m2 s1 uma planta de sombra é capaz de utilizar a luz absorvida No entanto acima de 150 μmol m2 s1 a fotossíntese satura e uma quantidade cada vez maior de energia luminosa absorvida precisa ser dissipada Em níveis de PPFD mais altos existe uma grande diferença entre a fração de luz usada pela fotossíntese em relação à que precisa ser dissipada excesso de energia luminosa As diferenças são muito maiores em uma planta de sombra do que em uma planta de sol De Osmond 1994 Figura 911 Mudanças diurnas no teor de xantofila no girassol Helianthus annuus em função da PPFD À medida que aumenta a quantidade de luz incidente sobre uma folha uma proporção maior de violaxantina é convertida em anteraxantina e zeaxantina dissipan do assim o excesso de energia de excitação e protegendo o apare lho fotossintético De DemmigAdams e Adams 1996 Taiz09indd 253 Taiz09indd 253 27102016 144026 27102016 144026 254 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ocorre ao longo de microfilamentos de actina no citoplas ma e o cálcio regula seu movimento MOVIMENTOS DAS FOLHAS As plantas desenvolve ram também respostas que reduzem o excesso da carga de radiação sobre as folhas inteiras durante períodos de luz solar intensa em especial quando a transpiração e seus efeitos refrescantes são diminuídos devido ao estresse hí drico Essas respostas muitas vezes abrangem mudanças na orientação foliar em relação à incidência de luz solar Por exemplo as folhas heliotrópicas da alfafa e do tremo ço ajustamse à trajetória do sol mas ao mesmo tempo podem reduzir os níveis de luz incidente mediante aproxi mação de seus folíolos de modo que as lâminas foliares se tornam quase paralelas aos raios solares paraheliotrópi cas Esses movimentos são acompanhados por alterações na pressão de turgor de células do pulvino na extremidade do pecíolo Outra resposta comum é a murcha como se observa no girassol pela qual a folha fica pendente em uma orientação vertical reduzindo também a carga de ca lor incidente e diminuindo a transpiração e os níveis de luz incidente Muitas gramíneas são efetivamente capazes de se enrolar mediante perda de turgor nas células buli formes resultando na redução da PPFD incidente A absorção de luz em demasia pode levar à fotoinibição Quando as folhas são expostas a uma quantidade de luz maior do que podem usar ver Figura 910 o centro de reação do PSII é inativado e frequentemente danificado constituindo um fenômeno denominado fotoinibição ver Capítulo 7 As características da fotoinibição na folha in tacta dependem da quantidade de luz à qual a planta está exposta Os dois tipos de fotoinibição são fotoinibição di nâmica e crônica Sob excesso de luz moderado constatase a fotoini bição dinâmica A produtividade quântica diminui mas a taxa fotossintética máxima permanece inalterada A fotoi nibição dinâmica é causada pelo desvio da energia lumi nosa absorvida para a dissipação de calor por isso o de créscimo na produtividade quântica Com frequência esse decréscimo é temporário e a produtividade quântica pode retornar a seu valor inicial mais alto quando a PPFD dimi nui abaixo dos níveis de saturação A Figura 913 mostra como os fótons da luz solar são alocados para reações fo tossintéticas e para serem dissipados termicamente como excesso de energia durante o dia sob condições ambientais favoráveis e de estresse A fotoinibição crônica resulta da exposição a níveis mais altos de excesso de luz que danificam o sistema fo tossintético e diminuem a produtividade quântica e a taxa fotossintética máxima Isso aconteceria se a condição de estresse na Figura 913B persistisse porque a fotoproteção não foi possível A fotoinibição crônica está associada a dano à proteína D1 do centro de reação de PSII ver Ca pítulo 7 Em comparação aos efeitos da fotoinibição di nâmica os efeitos da fotoinibição crônica são de duração relativamente longa persistindo por semanas ou meses Os primeiros pesquisadores da fotoinibição interpre taram todos os decréscimos na produtividade quântica como dano ao aparelho fotossintético Hoje reconhece se que os decréscimos de curto prazo na produtividade quântica refletem mecanismos protetores ver Capítulo 7 enquanto a fotoinibição crônica representa dano real ao cloroplasto resultante de luz excessiva ou de falha dos mecanismos protetores A Escuro B Luz azul fraca C Luz azul forte Figura 912 Distribuição de cloroplastos em células fotossinte tizantes da lentilhadágua Lemna Estas vistas frontais mostram as mesmas células sob três condições A escuro B luz azul fraca e C luz azul forte Em A e B os cloroplastos estão posicionados nas proximidades da superfície superior das células onde podem absorver quantidades máximas de luz Quando as células são irra diadas com luz azul forte C os cloroplastos deslocamse para as paredes laterais onde eles sombreiam uns aos outros minimizando portanto a absorção do excesso de luz Cortesia de M Tlalka e M D Fricker Taiz09indd 254 Taiz09indd 254 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 255 Quão significante é a fotoinibição na natureza A fo toinibição dinâmica parece ocorrer diariamente quando as folhas são expostas a quantidades máximas de luz e ocorre uma redução correspondente na fixação de carbo no A fotoinibição é mais pronunciada em temperaturas baixas e tornase crônica sob condições climáticas mais extremas Efeitos da temperatura na fotossíntese na folha intacta A fotossíntese absorção de CO2 e a transpiração perda de H2O apresentam um caminho em comum ou seja o CO2 difundese para o interior da folha e a H2O difunde se para fora através da abertura estomática regulada pe las célulasguarda Ao mesmo tempo em que esses pro cessos são independentes grandes quantidades de água são perdidas durante os períodos fotossintéticos com a razão molar da perda de H2O em relação à absorção de CO2 muitas vezes excedendo 250 Essa taxa elevada de perda de água também remove calor das folhas mediante esfriamento evaporativo mantendoas relativamente frias mesmo sob condições de luz solar plena O esfriamento pela transpiração é importante pois a fotossíntese é um processo dependente da temperatura mas a perda de água concorrente significa que o esfriamento representa um custo em especial em ecossistemas áridos e semiáridos As folhas precisam dissipar grandes quantidades de calor O calor acumulado sobre uma folha exposta à luz solar plena é muito alto De fato sob condições luminosas nor mais com temperatura do ar moderada uma folha atin giria uma temperatura perigosamente alta caso a energia solar fosse absorvida e não houvesse dissipação de calor Entretanto isso não ocorre pois as folhas absorvem ape nas cerca de 50 da energia solar total 3003000 nm com a maior parte da absorção ocorrendo na porção visível do espectro ver Figuras 92 e 93 Essa quantidade ainda é grande O acúmulo de calor típico de uma folha é dissipa do por meio de três processos Figura 914 Perda de calor radiativo todos os objetos emitem ra diação a cerca de 10000 nm em proporção à quar ta potência de sua temperatura equação de Stephan Boltzman Contudo o comprimento de onda máximo emitido é inversamente proporcional à temperatura foliar e as temperaturas foliares são suficientemente baixas para que os comprimentos de onda emitidos não sejam visíveis ao olho humano Entrada de energia Dissipação de calor Luz solar absorvida pela folha Radiação de onda longa perda de calor radiativo Convecção da folha para o ar a fim de esfriála perda de calor sensível Esfriamento evaporativo da perda de água perda de calor latente Figura 914 Absorção e dissipação de energia da luz solar pela folha A carga de calor imposta deve ser dissipada a fim de evitar dano à folha A carga de calor é dissipada pela emissão de radiação de ondas longas pela perda de calor sensível para o ar que circunda a folha e pelo esfriamento evaporativo causado pela transpiração Amanhecer Meiodia Período do dia Anoitecer 1000 0 2000 luz solar plena PPFD μmol m2 s1 PPFD μmol m2 s1 1000 0 2000 luz solar plena A Condições ambientais favoráveis B Condições ambientais de estresse Fótons envolvidos na fotoquímica Fótons absorvidos Fótons dissipados Figura 913 Mudanças durante um dia na alocação de fótons absorvidos pela luz solar É apresentada uma comparação de como os fótons incidentes sobre uma folha são envolvidos na fotoquímica ou dissipados termicamente como excesso de energia em folhas sob condições favoráveis A e de estresse B De DemmigAdams e Adams 2000 Taiz09indd 255 Taiz09indd 255 27102016 144026 27102016 144026 256 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Perda de calor sensível se a temperatura da folha for mais alta que a do ar circulante ao seu redor have rá convecção de calor transferência da folha para o ar O tamanho e a forma de uma folha influenciam a quantidade da perda de calor sensível Perda de calor latente uma vez que a evaporação da água requer energia quando ela evapora de uma folha transpiração ocorre remoção de grandes quantida des de calor desta e portanto seu esfriamento O cor po humano é esfriado pelo mesmo princípio comu mente conhecido como perspiração As perdas de calor sensível e evaporativo são os mais im portantes processos na regulação da temperatura foliar e a razão dos dois fluxos é denominada razão de Bowen Razão de Bowen Perda de calor sensível Perda de calor evaporativo Em lavouras bem irrigadas a transpiração ver Capítulo 4 e portanto a evaporação de água da folha é alta de modo que a razão de Bowen é baixa ver Tópico 92 na internet Inversamente quando o esfriamento evaporativo é limita do a razão de Bowen é elevada Em uma lavoura sob es tresse hídrico por exemplo o fechamento estomático par cial reduz o esfriamento evaporativo e a razão de Bowen é aumentada A quantidade de perda de calor evaporativo e portanto a razão de Bowen é influenciada pelo grau em que os estômatos permanecem abertos As plantas com razões de Bowen muito altas conser vam água mas consequentemente podem também ficar submetidas a temperaturas foliares muito altas Entretan to a diferença de temperatura entre a folha e o ar aumenta a quantidade de perda de calor sensível O crescimento re duzido em geral está correlacionado com razões de Bowen altas porque uma alta razão de Bowen indica fechamento estomático ao menos parcial Existe uma temperatura ideal para a fotossíntese A manutenção de temperaturas foliares favoráveis é cru cial para o crescimento vegetal porque a fotossíntese má xima ocorre dentro de uma faixa de temperatura relativa mente estreita O pico da taxa fotossintética em uma faixa de temperaturas é o ideal térmico fotossintético Quando a temperatura ótima para determinada planta é ultrapassa da as taxas fotossintéticas decrescem novamente O ideal térmico fotossintético reflete componentes bioquímicos genéticos adaptação e ambientais aclimatação As espécies adaptadas a regimes térmicos diferen tes em geral têm uma faixa de temperatura ideal para a fotossíntese que reflete as temperaturas do ambiente no qual elas se desenvolveram Um contraste é especialmente nítido entre a espécie C3 Atriplex glabriuscula que comu mente ocorre em ambientes costeiros frios e a espécie C4 Tidestromia oblongifolia de um ambiente desértico quente Figura 915 A capacidade de aclimatarse ou ajustarse bioquimicamente também pode ser constatada em nível intraespecífico Quando cultivados em temperaturas dife rentes e a seguir testados quanto à sua resposta fotos sintética os indivíduos da mesma espécie mostram ideais térmicos fotossintéticos que se correlacionam com as res pectivas temperaturas de cultivo Em outras palavras os indivíduos da mesma espécie cultivados em temperaturas baixas têm taxas fotossintéticas mais altas em temperatu ras baixas enquanto esses mesmos indivíduos cultivados em temperaturas altas têm taxas fotossintéticas mais altas em temperaturas altas A capacidade de ajustarse mor fológica fisiológica ou bioquimicamente em resposta a mudanças no ambiente é referida como plasticidade As plantas com uma plasticidade térmica elevada são capazes de crescer em uma ampla faixa de temperaturas As mudanças nas taxas fotossintéticas em resposta à temperatura exercem um papel importante nas adaptações das plantas e contribuem para que elas sejam produtivas mesmo em alguns dos hábitats termicamente mais extre mos Na amplitude térmica mais baixa as plantas crescen do em áreas alpinas do Colorado e em regiões árticas do Alasca são capazes de absorção líquida de CO2 em tempe raturas próximas a 0oC No outro extremo as plantas vi vendo no Vale da Morte Death Valley na Califórnia um dos lugares mais quentes na Terra podem alcançar taxas fotossintéticas positivas em temperaturas próximas a 50oC A fotossíntese é sensível às temperaturas altas e baixas Quando as taxas fotossintéticas são plotadas em função da temperatura a curva de resposta à temperatura tem uma forma assimétrica de sino ver Figura 915 A despeito de algumas diferenças na forma a curva de resposta à tempe ratura da fotossíntese interespecífica e intraespecífica tem muitas características em comum A porção ascendente da curva representa uma estimulação de atividades enzimá ticas dependentes da temperatura o topo plano é a tem peratura ideal para a fotossíntese e a porção descendente 20 10 30 40 50 10 0 20 30 40 Temperatura foliar C Assimilação fotossintética de CO2 μmol m2 s1 Tidestromia oblongifolia C4 de deserto quente Atriplex glabriuscula C3 de região costeira fria Figura 915 Fotossíntese em função da temperatura em con centrações normais de CO2 atmosférico para uma espécie C3 cres cendo em seu hábitat natural frio e uma espécie C4 crescendo em seu hábitat natural quente De Berry e Björkman 1980 Taiz09indd 256 Taiz09indd 256 27102016 144026 27102016 144026 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 257 da curva está associada aos efeitos deletérios sensíveis à temperatura alguns dos quais são reversíveis e outros não Que fatores estão associados ao declínio da fotos síntese acima do ótimo de temperatura fotossintética A temperatura afeta todas as reações bioquímicas da fo tossíntese bem como a integridade de membranas em cloroplastos não surpreendendo que as respostas à tem peratura sejam complexas As taxas de respiração aumen tam em função da temperatura mas essa não é a razão primordial para o decréscimo pronunciado na fotossíntese líquida em temperaturas elevadas Um impacto importan te da temperatura alta é sobre os processos de transporte de elétrons ligados à membrana que se tornam desacopla dos ou instáveis em temperaturas altas Isso interrompe o suprimento do poder redutor necessário para abastecer a fotossíntese líquida e provoca um decréscimo geral acen tuado na fotossíntese Sob concentrações de CO2 existentes no ambiente e com condições favoráveis de luz e umidade do solo o ideal térmico fotossintético com frequência é limitado pela ati vidade da rubisco Em folhas de espécies C3 a resposta à temperatura crescente reflete processos conflitantes um aumento na taxa de carboxilação e um decréscimo na afi nidade da rubisco por CO2 com um aumento correspon dente na fotorrespiração ver Capítulo 8 Há evidência de que a atividade da rubisco diminui devido aos efeitos ne gativos do calor sobre a rubiscoativase submetida a tem peraturas mais altas 35oC ver Capítulo 8 A redução na afinidade por CO2 e o aumento na fotorrespiração ate nuam a resposta potencial à temperatura da fotossíntese sob as concentrações de CO2 existentes no ambiente Em comparação em espécies com fotossíntese C4 o interior da folha é saturado de CO2 ou quase assim como discu tido no Capítulo 8 e não se manifesta o efeito negativo da temperatura alta sobre a afinidade da rubisco por CO2 Essa é uma razão pela qual as folhas de espécies C4 ten dem a ter um ideal de temperatura fotossintética mais alto do que as folhas de espécies C3 ver Figura 915 Em temperaturas baixas a fotossíntese C3 pode tam bém ser limitada por fatores como a disponibilidade de fosfatos no cloroplasto Quando trioses fosfato são expor tadas do cloroplasto para o citosol uma quantidade equi molar de fosfato inorgânico é absorvida via translocadores na membrana dos cloroplastos Se a taxa de uso de trioses fosfato no citosol diminuir o ingresso de fosfatos no cito sol é inibido e a fotossíntese tornase limitada por eles As sínteses de amido e sacarose diminuem rapidamente com o decréscimo da temperatura reduzindo a demanda por trioses fosfato e causando a limitação de fosfatos observa da em temperaturas baixas A eficiência fotossintética é sensível à temperatura A fotorrespiração ver Capítulo 8 e a produtividade quân tica eficiência no uso da luz diferem entre os tipos fotos sintéticos C3 e C4 com mudanças especialmente notáveis à medida que a temperatura varia A Figura 916 ilustra a produtividade quântica para a fotossíntese em função da temperatura foliar de espécies C3 e espécies C4 na atmos fera atual de 400 ppm de CO2 Nas espécies C4 a produti vidade quântica permanece constante com a temperatura refletindo taxas baixas de fotorrespiração Nas espécies C3 a produtividade quântica diminui com a temperatura re fletindo uma estimulação da fotorrespiração pela tempe ratura e um subsequente custo energético mais alto para a fixação líquida de CO2 A combinação de redução da produtividade quântica e aumento da fotorrespiração leva a diferenças esperadas nas capacidades fotossintéticas de espécies C3 e C4 em hábitats com temperaturas diferentes As taxas relativas de produtividade primária previstas para gramíneas C3 e C4 ao longo de um gradiente latitudinal nas Grandes Planícies da América do Norte desde o sul do Texas nos EUA até Manitoba no Canadá são mostradas na Figura 917 Esse declínio na produtividade de espécies C4 em relação à produtividade de C3 no deslocamento para o norte estabelece nas Grandes Planícies um paralelo es treito da mudança na abundância de plantas com essas rotas as espécies C4 são mais comuns abaixo de 40oN e as espécies C3 dominam acima de 45oN ver Tópico 93 na internet 002 000 004 006 008 010 15 20 25 30 35 Temperatura foliar C Produtividade quântica mol CO2 por quantum absorvido 40 10 Espécies C4 Espécies C3 Figura 916 Produtividade quântica da fixação fotossintética de carbono em espécies C3 e C4 em função da temperatura foliar A fotorrespiração aumenta com a temperatura em espécies C3 e o custo energético da fixação líquida de CO2 aumenta de acordo Esse custo energético mais alto é expresso em produtividades quânticas mais baixas sob temperaturas mais elevadas Por outro lado a fo torrespiração é muito baixa em espécies C4 e a produtividade quân tica não mostra uma dependência da temperatura Observe que em temperaturas mais baixas a produtividade quântica de espécies C3 é mais alta que a de espécies C4 indicando que a fotossíntese em espécies C3 é mais eficiente em temperaturas mais baixas De Ehleringer et al 1997 Taiz09indd 257 Taiz09indd 257 27102016 144026 27102016 144026 258 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese na folha intacta Foi discutido como a luz e a temperatura influenciam a fi siologia e a anatomia da folha Agora interessa saber como a concentração de CO2 afeta a fotossíntese O CO2 difunde se da atmosfera para as folhas primeiramente através dos estômatos depois através dos espaços intercelulares e final mente para o interior de células e cloroplastos Na presença de quantidades adequadas de luz concentrações mais eleva das de CO2 sustentam taxas fotossintéticas mais altas O in verso também é verdadeiro ou seja concentrações baixas de CO2 podem limitar a taxa fotossintética em espécies C3 Nesta seção é discutida a concentração de CO2 at mosférico na história recente e sua disponibilidade para os processos de fixação do carbono A seguir serão con sideradas as limitações que o CO2 impõe à fotossíntese e o impacto dos mecanismos concentradores de CO2 de es pécies C4 A concentração de CO2 atmosférico continua subindo Atualmente o dióxido de carbono representa cerca de 0040 ou 400 ppm do ar A pressão parcial de CO2 do ambiente ca varia com a pressão atmosférica e é de cer ca de 40 pascais Pa ao nível do mar ver Tópico 94 na internet O vapor de água em geral fica acima de 2 da atmosfera e o O2 responde por cerca de 21 O maior constituinte na atmosfera é o nitrogênio diatômico repre sentando cerca de 77 Hoje a concentração atmosférica de CO2 é quase o do bro da que prevalecia nos últimos 400 mil anos conforme medições de bolhas de ar apreendidas no gelo glacial da Antártica Figura 918A e B e é mais elevada que aquela ocorrida na Terra nos últimos 2 milhões de anos Por isso considerase que a maioria dos táxons vegetais existentes evoluiu em um mundo com baixa concentração de CO2 cerca de 180280 ppm de CO2 Somente quando se retro cede cerca de 35 milhões de anos podem ser encontradas concentrações de CO2 de níveis muito mais altos 1000 ppm Portanto a tendência geológica durante esses mui tos milhões de anos foi de concentrações decrescentes de CO2 atmosférico ver Tópico 95 na internet Atualmente a concentração de CO2 da atmosfera está crescendo cerca de 1 a 3 ppm por ano principalmente devi do à queima de combustíveis fósseis p ex carvão petró leo e gás natural e ao desmatamento Figura 918C Desde 1958 quando C David Keeling começou as medições sis temáticas de CO2 no ar puro de Mauna Loa Havaí as con centrações têm aumentado mais de 25 Por volta de 2100 a concentração de CO2 atmosférico poderá alcançar 600 a 750 ppm a menos que as emissões de combustíveis fósseis e o desmatamento diminuam ver Tópico 96 na internet A difusão de CO2 até o cloroplasto é essencial para a fotossíntese Para a ocorrência da fotossíntese o CO2 precisa difundir se da atmosfera para o interior da folha e para o sítio de carboxilação da rubisco A taxa de difusão depende do gra diente de concentração de CO2 na folha ver Capítulos 3 e 6 e das resistências ao longo da rota de difusão A cutícula que cobre a folha é quase impermeável ao CO2 de modo que a principal porta de entrada desse gás na folha é a fenda estomática O mesmo caminho é percorrido pela H2O no sentido inverso Através da fenda o CO2 difundese para a câmara subestomática e daí para os espaços de ar entre as células do mesofilo Essa parte do caminho de difusão de CO2 para o cloroplasto é uma fase gasosa O restante do caminho de difusão para o cloroplasto é uma fase líquida a qual inicia na camada de água que umedece as paredes das células do mesofilo e continua pela membrana plasmática pelo citosol e pelo cloroplasto Para examinar as proprieda des do CO2 em solução ver Tópico 88 na internet O compartilhamento do caminho de entrada estomá tica pelo CO2 e pela H2O submete a planta a um dilema funcional No ar com umidade relativa alta o gradiente de difusão que impulsiona a perda de água é cerca de 50 vezes maior do que o gradiente que impulsiona a absorção de CO2 No ar mais seco essa diferença pode ser muito maior Como consequência um decréscimo na resistência através da abertura estomática facilita a maior absorção de CO2 mas ela é inevitavelmente acompanhada por subs tancial perda de água Não surpreende que muitas carac terísticas adaptativas ajudem a neutralizar essa perda de água em plantas de regiões áridas e semiáridas do mundo Cada porção dessa rota de difusão impõe uma resis tência à difusão de CO2 de modo que o suprimento de CO2 para a fotossíntese enfrenta uma série de diferentes pontos de resistência A fase gasosa da difusão de CO2 para a folha pode ser dividida em três componentes a camada limí 25 30 35 40 45 50 55 60 Latitude Ganho relativo de carbono C4 prevalecem Ganho de carbono C4 Ganho de carbono C3 C3 prevalecem Baixo Alto Figura 917 Taxas relativas de ganho de carbono fotossintético previstas para gramíneas C3 e C4 de estratos idênticos em função da latitude ao longo das Grandes Planícies da América do Norte De Ehleringer 1978 Taiz09indd 258 Taiz09indd 258 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 259 trofe o estômato e os espaços intercelulares da folha cada uma impondo uma resistência à difusão de CO2 Figura 919 Uma avaliação da magnitude de cada ponto de resis tência ajuda a entender as limitações do CO2 à fotossíntese A camada limítrofe é constituída de ar relativamente parado junto à superfície foliar e sua resistência à difusão é denominada resistência da camada limítrofe Essa re sistência afeta todos os processos de difusão incluindo a difusão de água e de CO2 assim como a perda de calor sensível discutida anteriormente A resistência da camada limítrofe decresce com o menor tamanho foliar e a maior velocidade do vento As folhas menores portanto têm uma resistência menor à difusão de CO2 e de água bem como à perda de calor sensível As folhas de espécies de deserto em geral são pequenas facilitando a perda de calor sensí CO2 Resistência da camada limítrofe Camada limítrofe Resistência estomática Estômato Resistência nos espaços intercelulares Resistência no mesofilo Fenda estomática 400 k 300 k 200 k 100 k 0 150 100 200 250 300 350 400 Anos anteriores ao presente Concentração de CO2 atmosférico ppm 1960 1970 1980 1990 2010 2000 Ano 360 370 380 390 400 350 340 330 320 310 C Ano 1000 1500 2000 260 280 300 320 340 380 400 360 B A Figura 918 Concentração de CO2 atmosférico há 420 mil anos até os dias atuais A As concentrações de CO2 atmosférico no pas sado determinadas a partir de bolhas apreendidas no gelo glacial da Antártica eram muito mais baixas que os níveis atuais B Nos úl timos 1000 anos a elevação na concentração de CO2 coincide com a Revolução Industrial e com o aumento da queima de combustíveis fósseis C As concentrações atuais de CO2 atmosférico medidas em Mauna Loa Havaí continuam a aumentar A natureza ondulada do traço é causada pela alteração nas concentrações de CO2 at mosférico associada a mudanças sazonais no balanço relativo entre taxas de fotossíntese e respiração A cada ano a concentração mais elevada de CO2 é observada em maio exatamente antes da estação de crescimento no hemisfério norte e a concentração mais baixa é observada em outubro De Barnola et al 1994 Keeling e Whorf 1994 Neftel et al 1994 e Keeling et al 1995 atualizada usando dados de httpwwwesrlnoaagovgmdccggtrends Figura 919 Pontos de resistência à difusão e fixação de CO2 do exterior da folha para os cloroplastos A fenda estomática é o prin cipal ponto de resistência à difusão de CO2 para dentro da folha N de RT De acordo com a terminologia adotada em língua portu guesa a maior resistência à difusão de CO2 ocorre na fenda estomá tica ou ostíolo cujo tamanho é regulado por alterações nas células guarda Taiz09indd 259 Taiz09indd 259 27102016 144027 27102016 144027 260 Unidade II Bioquímica e Metabolismo vel As folhas grandes por outro lado com frequência são encontradas nos trópicos úmidos em especial na sombra Essas folhas têm grandes resistências da camada limítrofe mas elas podem dissipar o acúmulo de calor da radiação por esfriamento evaporativo possibilitado pelo suprimento abundante de água nesses hábitats Após difundirse através da camada limítrofe o CO2 penetra na folha pelas fendas estomáticas que impõem o próximo tipo de resistência no caminho da difusão a resis tência estomática Na maioria das condições naturais em que o ar ao redor da folha raras vezes está completamente parado a resistência da camada limítrofe é muito menor que a resistência estomática Portanto a principal limitação à difusão de CO2 é imposta pela resistência estomática Existem duas resistências adicionais no interior da fo lha A primeira é a resistência à difusão de CO2 nos espa ços de ar que separam a câmara subestomática das pare des das células do mesofilo Ela é chamada de resistência nos espaços intercelulares A segunda é a resistência do mesofilo que é a resistência à difusão de CO2 na fase lí quida em folhas C3 A localização dos cloroplastos perto da periferia celular minimiza a distância que o CO2 pre cisa percorrer através do líquido para alcançar os sítios de carboxilação dentro do cloroplasto A resistência do meso filo à difusão de CO2 é considerada cerca de 14 vez a re sistência da camada limítrofe combinada com a resistência estomática quando os estômatos estão totalmente aber tos Visto que as célulasguarda podem impor uma resis tência variável e potencialmente grande ao influxo de CO2 e à perda de água na rota de difusão a regulação da aber tura estomática proporciona à planta uma maneira eficaz de controle das trocas gasosas entre a folha e a atmosfera ver Tópico 94 na internet O CO2 impõe limitações à fotossíntese Para espécies C3 cultivadas em condições adequadas de luz água e nutrientes o enriquecimento do CO2 acima das concentrações atmosféricas naturais resulta em aumento da fotossíntese e incremento da produtividade A expres são da taxa fotossintética em função da pressão parcial de CO2 nos espaços intercelulares ci dentro da folha ver Tópico 94 na internet possibilita avaliar as limitações à fotossíntese impostas pelo suprimento de CO2 Em con centrações baixas de ci a fotossíntese é fortemente limita da pelas concentrações baixas de CO2 Na ausência de CO2 atmosférico as folhas liberam CO2 devido à respiração mi tocondrial ver Capítulo 12 O aumento de ci até a concentração em que a fotossín tese e a respiração se equilibram entre si define o ponto de compensação do CO2 Esse é o ponto em que a assi milação líquida de CO2 pela folha é zero Figura 920 Tal conceito é análogo ao do ponto de compensação da luz discutido anteriormente neste capítulo O ponto de com pensação do CO2 expressa o balaço entre fotossíntese e respiração em função da concentração de CO2 enquanto o ponto de compensação da luz reflete o balanço em função da PPFD sob concentração de CO2 constante ESPÉCIES C3 VERSUS ESPÉCIES C4 Em espécies C3 o aumento de ci acima do ponto de compensação aumenta a fotossíntese em uma faixa ampla de concentrações ver Figura 920 Em concentrações de CO2 baixas até interme diárias a fotossíntese é limitada pela capacidade de car boxilação da rubisco Em concentrações de ci mais altas a fotossíntese começa a saturar à medida que a taxa fotos sintética líquida se torna limitada por outro fator lembre se do conceito de Blackman de fatores limitantes Nes ses níveis mais altos de ci a fotossíntese líquida tornase limitada pela capacidade das reações luminosas de gerar NADPH e ATP para regenerar a molécula aceptora ribulo se15bifosfato A maioria das folhas parece regular seus valores de ci mediante controle da abertura estomática de modo que ci permanece em uma concentração subambien te intermediária entre os limites impostos pela capacidade de carboxilação e a capacidade de regenerar ribulose15 bifosfato Dessa maneira as reações luminosas e no es curo da fotossíntese são colimitantes Uma representação gráfica da assimilação líquida de CO2 em função de ci ilus tra como a fotossíntese é regulada pelo CO2 independen temente do funcionamento dos estômatos ver Figura 920 A comparação da representação gráfica de espécies C3 e C4 revela diferenças interessantes entre as duas rotas do metabolismo do carbono Em espécies C4 as taxas fotossintéticas saturam com valores de ci de cerca de 100 a 200 ppm refletindo os mecanismos concentradores de CO2 efetivos que ope ram nessas espécies ver Capítulo 8 Em espécies C3 o aumento dos níveis de ci continua a estimular a fotossíntese em uma faixa de CO2 muito mais ampla do que em espécies C4 200 400 600 800 1000 Concentração de CO2 intercelular ci ppm 10 0 20 30 40 50 60 Assimilação líquida de CO2 μmol m2 s1 Espécie C4 Espécie C3 Pontos de compensação do CO2 Figura 920 Mudanças na fotossíntese em função das concen trações intercelulares de CO2 em Tidestromia oblongifolia Arizona honeysweet uma espécie C4 e Larrea tridentata arbustode creosoto uma espécie C3 A taxa fotossintética está relacionada à concentração de CO2 intercelular calculada no interior da folha ver Equação 5 no Tópico 94 na internet A concentração de CO2 in tercelular na qual a assimilação líquida de CO2 é zero define o ponto de compensação desse gás De Berry e Downton 1982 Taiz09indd 260 Taiz09indd 260 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 261 Em espécies C4 o ponto de compensação do CO2 é zero ou próximo de zero refletindo seus níveis de fo torrespiração muito baixos ver Capítulo 8 Em espécies C3 o ponto de compensação do CO2 é de cerca de 50 a 100 ppm a 25oC refletindo a produção de CO2 devido à fotorrespiração ver Capítulo 8 Essas respostas revelam que as espécies C3 têm mais proba bilidade do que as espécies C4 de se beneficiar dos aumen tos nas concentrações atuais de CO2 atmosférico ver Figura 920 As espécies C4 não se beneficiam muito dos aumentos nas concentrações de CO2 atmosférico porque sua fotossín tese é saturada em concentrações baixas de CO2 De uma perspectiva evolutiva a rota fotossintética an cestral é a fotossíntese C3 sendo a fotossíntese C4 uma rota derivada Durante períodos geológicos pretéritos quando as concentrações de CO2 atmosférico eram muito mais ele vadas que as atuais a difusão de CO2 através dos estôma tos para o interior de folhas teria resultado em valores de ci mais altos e por isso em taxas fotossintéticas mais elevadas em espécies C3 mas não em espécies C4 A evolução da fo tossíntese C4 é uma adaptação bioquímica a uma atmosfera com limitação de CO2 Nosso entendimento atual é que a fotossíntese C4 pode ter evoluído recentemente em termos geológicos há mais de 20 milhões de anos Se a Terra há mais de 50 milhões de anos teve con centrações de CO2 atmosférico bem acima das atuais sob quais condições atmosféricas poderíamos esperar que a fotossíntese C4 tenha se tornado uma rota fotossintética importante em ecossistemas terrestres O grupo de Jim Ehleringer sugere que a fotossíntese C4 tenha se tornado de início um componente destacado de ecossistemas terrestres nas regiões de crescimento mais quentes da Terra quando as concentrações globais de CO2 decresceram abaixo de um limiar crítico ainda desconhecido Figura 921 Simul taneamente os impactos negativos da fotorrespiração alta e da limitação do CO2 sobre a fotossíntese C3 seriam mais altos sob essas condições de crescimento quentes e con centração baixa de CO2 atmosférico As espécies C4 teriam sido mais favorecidas durante períodos da história da Terra em que os níveis de CO2 eram os mais baixos Hoje exis tem muitos dados indicando que a fotossíntese C4 foi mais proeminente durante períodos glaciais quando os níveis de CO2 atmosférico ficavam abaixo de 200 ppm ver Figura 918 Outros fatores podem ter contribuído para a propaga ção das espécies C4 mas certamente a concentração baixa do CO2 atmosférico foi um fator importante que favoreceu sua evolução e essencialmente a expansão geográfica Devido aos mecanismos concentradores de CO2 em espécies C4 a concentração desse gás nos sítios de carbo xilação em cloroplastos C4 em geral está vinculada à satu ração da atividade da rubisco Como consequência para alcançar determinada taxa de fotossíntese as espécies com metabolismo C4 necessitam de menos rubisco que as espécies C3 e portanto requerem menos nitrogênio para crescer Além disso o mecanismo concentrador de CO2 permite à folha manter taxas fotossintéticas altas com va lores de ci mais baixos Isso permite que os estômatos per maneçam relativamente fechados resultando em menos perda de água para determinada taxa de fotossíntese Por tanto o mecanismo concentrador de CO2 ajuda as espécies C4 a utilizar água e nitrogênio de maneira mais eficiente que as espécies C3 Contudo o custo energético adicional exigido pelo mecanismo concentrador de CO2 ver Capí tulo 8 reduz a eficiência da fotossíntese C4 quanto ao uso da luz Provavelmente essa é uma razão pela qual em regiões temperadas a maioria das espécies adaptadas à sombra não seja do tipo C4 ESPÉCIES CAM As espécies com metabolismo ácido das crassuláceas CAM de crassulacean acid metabolism in cluindo muitos cactos orquídeas bromeliáceas e outras suculentas têm padrões de atividade estomática que di ferem daqueles encontrados em espécies C3 e C4 As es pécies CAM abrem seus estômatos predominantemente à noite e os fecham durante o dia exatamente o oposto do padrão observado em folhas de espécies C3 e C4 Figura 922 À noite o CO2 atmosférico difundese para o interior de plantas CAM onde é combinado com fosfoenolpiruva to e fixado em oxaloacetato que é reduzido a malato ver Capítulo 8 Uma vez que os estômatos ficam abertos prin cipalmente à noite quando as temperaturas mais baixas e a umidade mais alta reduzem a demanda transpiratória a razão da perda de água para a absorção de CO2 é muito mais baixa em espécies CAM que em espécies C3 ou C4 A principal restrição fotossintética ao metabolis mo CAM é que a capacidade de armazenagem do ácido málico malato é limitada e essa limitação restringe a quantidade total de absorção de CO2 No entanto algu mas espécies CAM são capazes de aumentar a fotossíntese total durante condições úmidas fixando CO2 via ciclo de CalvinBenson no final do dia quando os gradientes de 10 20 30 40 200 100 300 400 500 600 700 Temperatura diária da estação de crescimento C CO2 atmosférico ppm Espécies C3 favorecidas Espécies C4 favorecidas Figura 921 Combinação dos níveis globais de CO2 atmosférico e temperaturas diárias da estação de crescimento que previsivel mente favorecem ora gramíneas C3 ora gramíneas C4 Em deter minado momento a Terra apresenta uma única concentração de CO2 atmosférico resultando na expectativa de que as espécies C4 seriam mais comuns nos hábitats com as estações de crescimento mais quentes De Ehleringer et al 1997 Taiz09indd 261 Taiz09indd 261 27102016 144027 27102016 144027 262 Unidade II Bioquímica e Metabolismo temperatura são menos extremos Outras espécies podem usar a estratégia CAM como um mecanismo de sobrevi vência durante limitações severas de água Por exemplo os cladódios caules achatados conseguem sobreviver por vários meses sem água após a separação da plantamãe Seus estômatos permanecem fechados durante todo o tempo e o CO2 liberado pela respiração é refixado em ma lato Tal processo que tem sido denominado CAM ocioso permite à planta sobreviver por períodos de seca prolon gada com perda de água extremamente reduzida Como a fotossíntese e a respiração mudarão no futuro sob condições de aumento de CO2 As consequências do aumento de CO2 atmosférico es tão na mira de cientistas e agências governamentais em particular devido às predições de que o efeito estufa está alterando o clima do mundo A expressão efeito estufa referese ao aquecimento do clima da Terra que é causado pela captação de radiação de ondas longas pela atmosfera O teto de uma estufa transmite luz visível que é ab sorvida por plantas e outras superfícies no interior dessa estrutura Uma porção da energia da luz absorvida é con vertida em calor e parte deste é reemitida como radiação de ondas longas Como o vidro transmite muito pouca radia ção de ondas longas essa radiação não pode sair pelo teto de vidro da estufa e com isso ela esquenta Certos gases na atmosfera em particular CO2 e metano desempenham um papel similar ao do teto de vidro na estufa O aumento da concentração de CO2 e a elevação da temperatura asso ciados com o efeito estufa têm múltiplas influências sobre a fotossíntese e o crescimento vegetal Nas concentrações atuais do CO2 atmosférico a fotossíntese de espécies C3 é limitada pelo CO2 mas essa situação mudará à medida que as concentrações desse gás continuem a crescer Atualmente uma pergunta central na fisiologia vege tal é quanto a fotossíntese e a respiração diferirão em tor no de 2100 quando os níveis globais de CO2 alcançarem 500 ppm 600 ppm ou mesmo valores mais elevados Essa pergunta é especialmente relevante à medida as pessoas continuam a adicionar à atmosfera terrestre o CO2 deriva do da queima de combustíveis fósseis Se for bem hidra tada e altamente fertilizada em laboratório a maioria das espécies C3 cresce cerca de 30 mais rápido quando a con centração de CO2 alcança 600 a 750 ppm do que na con centração atual acima dessa concentração de CO2 atmos férico a taxa de crescimento tornase mais limitada pela disponibilidade de nutrientes para a planta Para estudar essa questão no campo os cientistas precisam ser capazes de criar simulações realistas de ambientes futuros Uma abordagem promissora para o estudo de fisiologia e eco logia vegetais em ambientes com níveis elevados de CO2 tem sido o emprego de experimentos de enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE de Free Air CO2 Enrichment Para realizar o experimento de FACE campos intei ros de plantas ou ecossistemas naturais são cercados por emissores os quais adicionam CO2 ao ar a fim de criar o ambiente com concentração alta desse gás o que se pode esperar para os próximos 25 a 50 anos A Figura 923 mos tra experimentos de FACE em três tipos diferentes de ve getação Os experimentos de FACE têm proporcionado novas ideias insights fundamentais sobre como as plantas e os ecossistemas responderão aos níveis de CO2 esperados no futuro Uma observaçãochave é que as espécies com 0 2 4 8 12 0 6 12 18 24 Assimilação de CO2 µmol m2 s1 00 02 04 06 0 6 12 18 24 Evaporação de H2O mmol m2 s1 0 20 40 60 80 100 0 6 12 18 24 Tempo h Condutância estomática mmol m2 s1 C B A Período escuro Período escuro Período luminoso Figura 922 Assimilação fotossintética líquida de CO2 evapora ção de H2O e condutância estomática de uma espécie CAM o cac to Opuntia ficusindica durante um período de 24 horas A planta inteira foi mantida em uma câmara de medição de trocas gasosas no laboratório As áreas sombreadas indicam os períodos escuros Durante o período de estudo foram medidos três parâmetros A taxa fotossintética B perda de água e C condutância estomáti ca Ao contrário das plantas com metabolismo C3 ou C4 as plan tas CAM abrem seus estômatos e fixam CO2 à noite De Gibson e Nobel 1986 Taiz09indd 262 Taiz09indd 262 27102016 144027 27102016 144027 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 263 rota fotossintética C3 são muito mais responsivas que as espécies C4 sob condições bem hidratadas com a taxa fo tossintética líquida aumentando 20 ou mais em espécies C3 e nem tanto em espécies C4 A fotossíntese aumenta nas espécies C3 porque os níveis de ci crescem ver Figu ra 920 Ao mesmo tempo há uma regulação para baixo da capacidade fotossintética manifestada pela atividade reduzida das enzimas associadas às reações no escuro da fotossíntese Os níveis aumentados de CO2 afetarão muitos pro cessos vegetais Por exemplo as folhas tendem a manter seus estômatos mais fechados sob níveis aumentados de CO2 Como uma consequência direta da redução da transpiração as temperaturas foliares ficam mais altas ver Figura 923C o que pode retroalimentar a respiração mitocondrial básica Esta é sem dúvida uma estimulante e promissora área de pesquisa em curso A partir de es tudos de FACE está se tornando progressivamente claro que um processo de aclimatação ocorre sob níveis de CO2 mais elevados em que as taxas de respiração são diferen tes daquelas sob condições atmosféricas atuais mas não tão altas quanto teriam sido previstas sem a resposta de aclimatação por regulação descendente Ao mesmo tempo em que o CO2 certamente é impor tante para a fotossíntese e a respiração outros fatores são importantes para o crescimento sob concentrações aumen tadas desse gás Por exemplo uma observação comum dos experimentos de FACE é que o crescimento sob níveis au mentados de CO2 rapidamente se torna limitado pela dis ponibilidade de nutrientes lembrar da regra de Blackman de fatores limitantes Uma segunda e surpreendente ob servação é que a presença de gasestraço poluentes como o ozônio pode reduzir a resposta fotossintética líquida abaixo dos valores máximos previstos de estudos iniciais de FACE e daqueles realizados em estufa há uma década Como consequência da elevação do CO2 atmosféri co no futuro próximo prevêse a ocorrência de condições mais quentes e mais secas bem como do aumento de li mitações de nutrientes Avanços importantes estão sendo feitos pelo estudo de como o crescimento de culturas irri A B C Nível de CO2 aumentado 275C Nível de CO2 no ambiente 261C 30 28 26 309C 250C Figura 923 Experimentos de enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE são utilizados para estudar como plantas e ecossistemas responderão a níveis de CO2 futuros A figu ra apresenta experimentos de FACE em uma floresta deci dual A e no estrato superior de uma lavoura B C Sob níveis aumentados de CO2 os estômatos foliares são mais fechados acarretando temperaturas foliares mais altas conforme mostrado pela imagem por infravermelho do es trato superior de uma lavoura A cortesia de D Karnosky B cortesia de USDAARS C de Long et al 2006 Taiz09indd 263 Taiz09indd 263 27102016 144027 27102016 144027 264 Unidade II Bioquímica e Metabolismo gadas e fertilizadas se compara com o de plantas em ecos sistemas naturais em um mundo com aumento de CO2 A compreensão dessas respostas é crucial à medida que a sociedade busca aumentar a produção agrícola visando sustentar as populações humanas crescentes e fornecer matériaprima para os biocombustíveis Propriedades fotossintéticas pelo registro de isótopos estáveis É possível conhecer mais sobre as diferentes rotas fotos sintéticas em plantas pela medição das abundâncias rela tivas de seus isótopos estáveis Em especial os isótopos de átomos de carbono em uma folha contêm informação útil sobre a fotossíntese Lembre que isótopos são simplesmente formas di ferentes de um elemento Nos diferentes isótopos de um elemento o número de prótons permanece constante já que ele define o elemento mas o número de nêutrons varia Os isótopos radioativos de um elemento apresen tam decaimento formando elementos diferentes ao lon go do tempo Por outro lado os isótopos estáveis de um elemento permanecem constantes e inalterados ao longo do tempo Os dois isótopos estáveis de carbono são 12C e 13C que diferem em composição apenas pelo acréscimo de um nêutron adicional em 13C Em experimentos biológicos com traçadores com frequência são usados os isótopos ra diativos de carbono 11C e 14C Como são medidos os isótopos estáveis de carbono de plantas O CO2 atmosférico contém os isótopos de carbono está veis 12C e 13C que ocorrem naturalmente nas proporções de 989 e 11 respectivamente As propriedades químicas do 13CO2 são idênticas às do 12CO2 mas as plantas assimi lam menos 13CO2 que 12CO2 Em outras palavras as folhas discriminam contra os isótopos de carbono mais pesados durante a fotossíntese e por isso têm razões 13C12C me nores que as encontradas no CO2 atmosférico A composição de isótopos 13C12C é medida com o uso de um espectrômetro de massa que fornece a seguin te razão R 13C 12C 91 A razão entre isótopos de carbono de plantas δ13C é quantificada sobre uma base de partes por mil δ13C 000 R amostra R padrão 1 1000 92 onde o padrão representa os isótopos de carbono conti dos em uma belemnite fóssil da formação calcária Pee Dee da Carolina do Sul O δ13C do CO2 atmosférico tem um valor de 8 significando que existe menos 13C no CO2 atmosférico do que é encontrado no carbonato da belem nitepadrão Quais são alguns valores típicos das razões entre isó topos de carbono de plantas As espécies C3 têm um valor médio de δ13C de cerca de 28 as espécies C4 têm um valor médio de cerca de 14 As espécies C3 e C4 têm menos 13C que o CO2 na atmosfera significando que os tecidos foliares discriminam contra 13C durante o processo fotossintético Thure Cerling e colaboradores obtiveram dados de δ13C para um grande número de espécies C3 e C4 ao redor do mundo Figura 924 O que se torna evidente examinando a Figura 924 é que há uma ampla dispersão de valores de δ13C em espécies C3 e C4 com médias de 28 e 14 respectivamente Essas variações de δ13C na verdade refletem as consequências de pequenas varia ções na fisiologia associadas a mudanças na condutância estomática em condições ambientais diferentes Portanto os valores de δ13C podem ser usados para fazer a distinção entre fotossínteses C3 e C4 e adicionalmente revelar deta lhes sobre as condições estomáticas de plantas crescendo em ambientes diferentes como espécies C3 nos trópicos comparadas com as de desertos As diferenças na razão entre isótopos de carbono são facilmente detectáveis com espectrômetros de massa que permitem medições precisas da abundância de 12C e 13C Muitos de nossos alimentos cultivados em climas tempe rados como o trigo Triticum aestivum o arroz Oryza sa tiva a batata Solanum tuberosum e espécies de feijoeiro Phaseolus spp são produtos de espécies C3 No entanto muitas de nossas lavouras mais produtivas em especial as cultivadas sob condições de verão quente são de espécies C4 como o milho Zea mays a canadeaçúcar Saccharum officinarum e o sorgo Sorghum bicolor É possível que os amidos e os açúcares extraídos de todos esses alimentos sejam quimicamente idênticos mas esses carboidratos po dem ser identificados com sua plantafonte C3 ou C4 com base em seus valores de δ13C Por exemplo a medição dos 30 40 20 10 50 0 100 150 200 Razão entre isótopos de carbono 0 Espécies C3 Espécies C4 Número de observações Figura 924 Histograma de frequência das razões entre isótopos de carbono observadas em táxons vegetais C3 e C4 que ocorrem ao redor do mundo De Cerling et al 1997 Taiz09indd 264 Taiz09indd 264 27102016 144028 27102016 144028 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 265 valores de δ13C do açúcar de mesa sacarose possibilita determinar se a sacarose provém do açúcar da beterraba Beta vulgaris uma espécie C3 ou da canadeaçúcar uma espécie C4 ver Tópico 97 na internet Por que existem variações na razão entre isótopos de carbono em plantas Qual a base fisiológica para o esgotamento de 13C em plantas em relação ao CO2 na atmosfera A difusão do CO2 para o interior da folha e a seletividade na carboxila ção do 12CO2 desempenham um papel É possível predizer a razão entre isótopos de carbono de uma folha C3 como δ13CL δ13CA a b acica 93 onde δ13CL e δ13CA são as razões entre isótopos de carbono da folha e do ambiente respectivamente a é a fração de difusão b é a fração da carboxilase líquida na folha cica é a razão entre a concentração de CO2 intercelular e a concen tração de CO2 no ambiente Em espécies C3 e C4 o CO2 difundese do ar externo para os sítios de carboxilação no interior das folhas Essa difusão é expressa utilizandose o termo a Por ser mais leve que o 13CO2 o 12CO2 difundese ligeiramente mais rá pido para o sítio de carboxilação criando um fator eficaz de fracionamento de difusão de 44 Portanto poderia ser esperado que as folhas tivessem um valor de δ13C mais negativo simplesmente devido a esse efeito da difusão No entanto esse fator sozinho não é suficiente para explicar os valores de δ13C de espécies C3 apresentados na Figura 924 O evento inicial de carboxilação é um fator deter minante na razão entre isótopos de carbono de plantas A rubisco representa a primeira reação de carboxilação na fotossíntese C3 e tem um valor de discriminação intrínse co contra 13C de 30 Em comparação a PEPcarboxilase a enzima principal da fixação de CO2 de espécies C4 tem um efeito de discriminação de isótopos muito menor cerca de 2 Desse modo a diferença inerente entre as duas enzimas de carboxilação contribui para as diferentes razões entre isótopos observadas em espécies C3 e C4 Em pregase b para descrever o efeito da carboxilação líquida Outras características fisiológicas das plantas afetam sua razão entre isótopos de carbono Um fator primário é a pressão parcial de CO2 nos espaços intercelulares de fo lhas ci Em espécies C3 a discriminação isotópica poten cial de 30 pela rubisco não é totalmente expressa du rante a fotossíntese pois a disponibilidade de CO2 no sítio de carboxilação tornase um fator limitante que restringe a discriminação por essa enzima Ocorre uma discrimina ção maior contra 13CO2 quando ci é alto como quando os estômatos estão abertos No entanto a abertura estomáti ca também facilita a perda de água Assim as razões mais baixas entre fotossíntese e transpiração são correlaciona das com discriminação maior contra 13C Quando as fo lhas são expostas à perda de água os estômatos tendem a fecharse reduzindo os valores de ci Como consequência as espécies C3 submetidas a condições de estresse hídrico tendem a ter razões mais altas entre isótopos de carbono ie menos discriminação contra 13C A aplicação de razões entre isótopos de carbono em vegetais tornouse muito produtiva pois a Equação 93 proporciona um forte vínculo entre a medição da razão entre isótopos de carbono e o valor de CO2 intercelular em uma folha Os níveis de CO2 intercelular são então di retamente ligados a aspectos da fotossíntese e limitações estomáticas À medida que os estômatos fecham em es pécies C3 ou o estresse hídrico aumenta constatase que a razão entre isótopos de carbono aumenta A medição da razão entre isótopos de carbono tornase então um pro cedimento direto para estimar vários aspectos do estresse hídrico de prazo curto Essas aplicações abrangem o em prego de isótopos de carbono para medir o desempenho vegetal em pesquisas agrícolas e ecológicas Um padrão ambiental emergente é que em média os valores foliares da razão entre isótopos de carbono decres cem à medida que a precipitação aumenta sob condições naturais A Figura 925 ilustra esse padrão em um gra diente através da Austrália Nesse exemplo verificase que os valores δ13C são mais altos nas regiões áridas da Aus trália e se tornam progressivamente mais baixos ao longo de um gradiente de precipitação de ecossistemas de deser to para os de floresta pluvial tropical Aplicando a Equação 93 para interpretar esses dados de δ13C concluise que os níveis de CO2 intercelular de folhas de plantas de deserto são mais baixos do que normalmente se observa em folhas de plantas de floresta pluvial Devido à natureza sequen cial da formação de anéis de crescimento ver Capítulo 19 as observações de δ13C em anéis de árvores podem auxi 400 200 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 31 30 29 28 27 26 25 32 Precipitação anual mm δ 13C foliar 000 Figura 925 Mudanças na vegetação ocorrem ao longo de gra dientes de precipitação no sul de Queensland Austrália As altera ções nas razões entre isótopos de carbono parecem ser fortemente relacionadas aos volumes de precipitações em uma região Isso su gere que a diminuição dos níveis de umidade influencia os valores ci e portanto as razões entre isótopos de carbono em espécies C3 ao longo de um gradiente geográfico em táxons australianos De Stewart et al 1995 Taiz09indd 265 Taiz09indd 265 27102016 144028 27102016 144028 266 Unidade II Bioquímica e Metabolismo liar na identificação dos efeitos de longo prazo da dispo nibilidade reduzida de água nas plantas p ex hábitats de deserto versus hábitats de florestas pluviais comparados com os efeitos de curto prazo que seriam registrados em folhas p ex ciclos de secas sazonais Atualmente as análises da razão entre isótopos de carbono costumam ser utilizadas para determinar os padrões de dieta de seres humanos e de outros animais A proporção entre alimentos C3 e C4 em uma dieta ani mal é registrada em seus tecidos dentes ossos músculos e pelos Thure Cerling e colaboradores descreveram uma aplicação interessante da análise da razão entre isótopos de carbono aos hábitos alimentares de uma família de elefantes africanos selvagens Eles examinaram valores sequenciais de δ13C em segmentos de pelos da cauda a fim de reconstruir as dietas diárias de cada animal Eles constataram mudanças sazonais previsíveis entre árvo res C3 e gramíneas C4 à medida que a disponibilidade de recursos se alterava devido aos padrões de chuvas As análises da razão entre isótopos de carbono podem ser ampliadas incluindo consideração sobre dietas humanas Uma observação em escala mais ampla mostra que as ra zões entre isótopos de carbono de norteamericanos são mais altas que as constatadas em europeus indicando que o milho uma espécie C4 exerce um papel destacado nas dietas dos primeiros Outra aplicação é a medição de δ13C em fósseis solos com carbonatos e dentes fósseis A partir dessas observações é possível reconstruir as rotas fotos sintéticas da vegetação prevalecente no passado remoto Essas abordagens têm sido usadas para demonstrar que as espécies C4 se tornaram predominantes nos campos en tre 6 e 10 milhões de anos atrás Elas ajudaram também a reconstruir as dietas de animais ancestrais e atuais ver Tópico 98 na internet As espécies CAM podem ter valores de δ13C muito próximos aos de espécies C4 Em espécies CAM fixando CO2 à noite via PEPcarboxilase é esperado que o δ13C seja semelhante ao de espécies C4 Entretanto quando algumas espécies CAM são bem hidratadas elas podem mudar para o modo C3 abrindo seus estômatos e fixando CO2 durante o dia via rubisco Sob essas condições a com posição de isótopos deslocase na direção das espécies C3 Portanto os valores de δ13C de espécies CAM refletem o quanto de carbono é fixado via rota C3 versus rota C4 RESUMO Considerando o desempenho fotossintético ideal a hipótese do fator limitante e uma perspectiva econômica enfatizando o suprimento e a demanda de CO2 têm orientado as pesquisas A fotossíntese é influenciada pelas propriedades foliares A anatomia foliar é altamente especializada para a absorção de luz Figura 91 Cerca de 5 da energia solar que atinge a Terra são converti dos em carboidratos pela fotossíntese Grande parte da luz ab sorvida é perdida na reflexão na transmissão no metabolismo e como calor Figuras 92 93 Em florestas densas quase toda a radiação fotossinteticamente ativa é absorvida pelas folhas Figura 94 As folhas de algumas plantas maximizam a absorção da luz pelo acompanhamento do sol Figura 95 Algumas espécies vegetais respondem a uma gama de regimes de luz No entanto as folhas de sol e de sombra têm caracterís ticas morfológicas e bioquímicas contrastantes Para aumentar a absorção da luz algumas plantas de sombra produzem uma razão mais alta entre os centros de reação de PSII e PSI enquanto outras adicionam clorofila antena ao PSII Efeitos da luz na fotossíntese na folha intacta As curvas de resposta à luz mostram a PPFD onde a fotossín tese é limitada pela luz ou pela capacidade de carboxilação A inclinação da porção linear da curva de resposta à luz mede a produtividade quântica máxima Figura 96 Os pontos de compensação da luz de plantas de sombra são mais baixos do que os de plantas de sol porque as taxas de respiração são muito baixas em plantas de sombra Figuras 97 98 Além do ponto de saturação outros fatores que não a luz in cidente como transporte de elétrons atividade da rubisco ou metabolismo de trioses fosfato limitam a fotossíntese Rara mente uma planta inteira é saturada de luz Figura 99 O ciclo das xantofilas dissipa o excesso de energia luminosa ab sorvida para evitar dano ao aparelho fotossintético Figuras 910 911 Os movimentos dos cloroplastos também limitam o excesso de absorção de luz Figura 912 A fotoinibição dinâmica desvia temporariamente o excesso de absorção de luz para dissipação de calor mas mantém a taxa fotossintética máxima Figura 913 A fotoinibição crônica é irreversível Efeitos da temperatura na fotossíntese na folha intacta As plantas são notavelmente plásticas em suas adaptações à temperatura As temperaturas fotossintéticas ideais têm fortes componentes bioquímicos genéticos adaptação e ambientais aclimatação A absorção foliar de energia luminosa gera uma carga de calor que deve ser dissipada Figura 914 As curvas de sensibilidade à temperatura identificam a uma faixa de temperatura em que os eventos enzimáticos são esti mulados b uma faixa para fotossíntese ótima e c uma faixa em que ocorrem eventos deletérios Figura 915 Taiz09indd 266 Taiz09indd 266 27102016 144028 27102016 144028 Capítulo 9 Fotossíntese Considerações Fisiológicas e Ecológicas 267 MATERIAL DA INTERNET Tópico 91 Trabalhando com luz Quantidade direção e qua lidade espectral são parâmetros importantes para a medição da luz Tópico 92 Dissipação de calor das folhas Razão de Bo wen A perda de calor sensível e a perda de calor evaporativo são os processos mais importantes na regulação da tempera tura foliar Tópico 93 Distribuições geográficas de espécies C3 e C4 A distribuição geográfica de espécies C3 e C4 corresponde perfeitamente às temperaturas das estações de crescimento no mundo atual Tópico 94 Calculando parâmetros importantes nas trocas gasosas da folha Métodos de trocas gasosas permitem medir a fotossíntese e a condutância estomática na folha intacta Tópico 95 Mudanças préhistóricas no CO2 atmosféri co Nos últimos 800 mil anos os níveis de CO2 atmosférico muda ram entre 180 ppm períodos glaciais e 280 ppm períodos inter glaciais à medida que a Terra se movimentou entre eras glaciais Tópico 96 Aumentos no CO2 atmosférico segundo pro jeções O CO2 atmosférico alcançou 400 ppm em 2014 e a ex pectativa é de que alcance 500 ppm neste século Tópico 97 Usando isótopos de carbono para detectar adulterações em alimentos Os isótopos de carbono com frequência são usados para detectar a substituição de açúcares C4 em produtos alimentícios C3 como a introdução do açúcar da cana no mel para aumentar o rendimento Tópico 98 Reconstrução da expansão de táxons C4 O δ13C de dentes de animais registra fielmente as razões entre isótopos de carbono de recursos alimentares e pode ser usado para reconstruir as abundâncias de espécies C3 e C4 ingeridas por pastejadores mamíferos Ensaio 91 O ciclo das xantofilas Estudos moleculares e bio físicos revelam o papel do ciclo das xantofilas na fotoproteção de folhas Abaixo de 30C a produtividade quântica de espécies C3 é mais alta que a de espécies C4 acima de 30C a situação é revertida Figura 916 Devido à fotorrespiração a produtividade quân tica é profundamente dependente da temperatura em espécies C3 mas é quase independente desse fator em espécies C4 A redução da produtividade quântica e o aumento da fotorres piração devido aos efeitos da temperatura levam a diferenças nas capacidades fotossintéticas de espécies C3 e C4 e resultam em uma mudança na dominância das espécies em um gradien te de latitudes diferentes Figura 917 Efeitos do dióxido de carbono na fotossíntese na folha intacta Os níveis de CO2 atmosférico estão aumentando desde a Re volução Industrial por causa do uso humano de combustíveis fósseis e do desmatamento Figura 918 Os gradientes de concentração acionam a difusão de CO2 da atmosfera para o sítio de carboxilação na folha usando rotas gasosas e líquidas Existem múltiplas resistências ao longo da rota de difusão de CO2 mas na maioria das situações a resis tência estomática tem o maior efeito na difusão de CO2 para dentro da folha Figura 919 O enriquecimento de CO2 acima dos níveis atmosféricos na turais resulta em aumento da fotossíntese e da produtividade Figura 920 A fotossíntese C4 pode ter se tornado proeminente nas re giões mais quentes da Terra quando as concentrações globais do CO2 atmosférico decresceram abaixo de um valor limiar Figura 921 Pela abertura à noite e o fechamento durante o dia a atividade estomática de plantas CAM contrasta com as encontradas em espécies C3 e C4 Figura 922 Os experimentos com enriquecimento de CO2 ao ar livre FACE sugerem que as espécies C3 são mais responsivas ao aumento da concentração do CO2 que as espécies C4 Figura 923 Propriedades fotossintéticas pelo registro de isótopos estáveis As razões entre isótopos de carbono de folhas podem ser usa das para distinguir diferenças nas rotas fotossintéticas entre es pécies vegetais distintas As espécies C3 e C4 têm menos 13C do que o CO2 na atmosfera indicando que os tecidos foliares discriminam contra 13C duran te a fotossíntese Figura 924 As condições que provocam o fechamento dos estômatos em espécies C3 como o estresse hídrico causam o aumento da ra zão entre isótopos de carbono na folha Desse modo a razão entre isótopos de carbono de uma folha pode ser usada como uma estimativa direta de respostas fisiológicas ao ambiente p ex estresse hídrico de curto prazo Figura 925 Taiz09indd 267 Taiz09indd 267 27102016 144028 27102016 144028 11 A sobrevivência no ambiente terrestre impôs sérios desafios às plan tas principalmente quanto à necessidade de obter e de reter a água Em resposta a essas pressões ambientais as plantas desenvolveram raízes e folhas As raízes fixam as plantas e absorvem água e nutrientes as folhas absorvem luz e realizam as trocas gasosas À medida que as plantas crescem as raízes e as folhas tornamse gradativamente separadas no espaço Assim os sistemas evoluíram de forma a permitir o transporte de longa distância e a tornar eficiente a troca dos produtos da absorção e da assimilação entre a parte aérea e as raízes Os Capítulos 4 e 6 mostraram que no xilema ocorre o transporte de água e sais minerais desde o sistema de raízes até as partes aéreas das plan tas No floema dáse o transporte dos produtos da fotossíntese particu larmente os açúcares das folhas maduras para as áreas de crescimento e armazenamento incluindo as raízes O floema também transmite sinais entre as fontes e os drenos na forma de moléculas reguladoras e redistribui água e vários compostos pela planta Todas essas moléculas parecem se mover com os açúcares transportados Os compostos a serem redistribuídos alguns dos quais inicialmente chegam às folhas maduras por meio do xilema podem ser transferidos das folhas sem modificações ou ser metabolizados antes da redistribuição A discussão que segue enfatiza a translocação no floema das angiosper mas já que a maioria das pesquisas tem sido desenvolvida nesse grupo de plantas As gimnospermas serão brevemente comparadas com as angiosper mas em termos de anatomia das células condutoras e suas implicações nos mecanismos de translocação Inicialmente são examinados alguns aspectos da translocação no floema os quais têm sido amplamente estudados e por isso acreditase que estejam bem compreendidos Esses aspectos incluem a rota e os padrões de translocação os materiais translocados no floema e as taxas de movimento Na segunda parte deste capítulo são discutidos os aspectos de translocação no floema que necessitam de investigação adicional Estes abrangem o me canismo de transporte no floema incluindo os detalhes da ultraestrutura de elementos crivados e a magnitude do gradiente de pressão entre as fontes e os drenos o carregamento e o descarregamento do floema e a alocação e a partição dos produtos fotossintéticos Por último é explorada uma área que atualmente é objeto de intensas pesquisas o floema como rota de transpor te de moléculas sinalizadoras como proteínas e RNA Translocação no Floema Taiz11indd 285 Taiz11indd 285 27102016 144723 27102016 144723 286 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Rotas de translocação As duas rotas de transporte de longa distância o floema e o xilema estendemse por toda a planta O floema ge ralmente é encontrado no lado externo dos sistemas vas culares primário e secundário Figuras 111 e 112 Nas plantas com crescimento secundário o floema constitui a casca viva Embora seja normalmente encontrado em po sição externa ao xilema o floema também é encontrado na região mais interna de muitas famílias de eudicotile dôneas Nessas famílias o floema apresentase nas duas posições e é denominado floema externo e interno res pectivamente As células do floema que conduzem açúcares e ou tros compostos orgânicos pela planta são chamadas de elementos crivados Elemento crivado é uma expressão abrangente que inclui os elementos de tubo crivado altamente diferenciados e típicos das angiospermas e as células crivadas relativamente não especializadas en contradas em gimnospermas Além dos elementos criva dos o floema contém as células companheiras discutidas adiante e as células parenquimáticas que armazenam e liberam moléculas nutritivas Em alguns casos o floema também inclui fibras e esclereides para proteção e susten tação do floema e laticíferos células que contêm látex No entanto apenas os elementos crivados estão envolvi dos diretamente na translocação As nervuras de menor porte das folhas e os feixes vas culares primários dos caules são com frequência circun dados por uma bainha do feixe vascular ver Figura 111 que consiste em uma ou mais camadas de células com pactamente arranjadas Lembrese das células da bainha do feixe envolvidas no metabolismo C4 e apresentadas no Capítulo 8 No sistema vascular das folhas a bainha do feixe circunda as nervuras menores em toda sua extensão até suas extremidades isolando as nervuras dos espaços intercelulares da folha A discussão sobre as rotas de translocação é inicia da com evidências experimentais que demonstram que os elementos crivados são as células condutoras do floema Após a estrutura e a fisiologia dessas células vegetais sin gulares são examinadas O açúcar é translocado nos elementos crivados Experimentos iniciais sobre o transporte no floema datam do século XIX indicando a importância do transporte de longa distância nas plantas ver Tópico 111 na internet Esses experimentos clássicos demonstraram que a retirada de um anel da casca ao redor do tronco de uma árvore re movendo o floema interrompe efetivamente o transporte de açúcar das folhas para as raízes sem alterar o trans porte de água pelo xilema Quando o uso de compostos radiativos tornouse possível em pesquisas o 14CO2 mar cado foi utilizado para demonstrar que os açúcares produ zidos pelo processo fotossintético são translocados pelos elementos crivados ver Tópico 111 na internet 01 mm Floema primário Xilema primário Bainha vascular Figura 111 Corte transversal de um feixe vascular de trevo Tri folium O floema primário aparece em direção à superfície externa do caule O floema e o xilema primários são circundados por uma bainha do feixe formada de células de esclerênquima com paredes espessas que isolam o sistema vascular do tecido fundamental Fi bras e vasos xilema estão corados em vermelho Floema secundário Câmbio vascular 3 2 1 Xilema secundário Medula Figura 112 Corte transversal de um caule de 3 anos de um indivíduo de freixo Fraxinus excelsior 27 Os números 1 2 e 3 indicam os anéis de crescimento no xilema secundário O floema secundário velho externo foi comprimido pela expansão do xilema Somente a camada mais recente mais interna do floema secundá rio é funcional Taiz11indd 286 Taiz11indd 286 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 287 Os elementos crivados maduros são células vivas especializadas para translocação O conhecimento detalhado da ultraestrutura dos elemen tos crivados é crucial para qualquer discussão do mecanis mo de translocação no floema Os elementos crivados ma duros são únicos entre as células vegetais vivas Figuras 113 e 114 Eles carecem de muitas estruturas normal mente encontradas nas células vivas mesmo em células não diferenciadas a partir das quais os elementos crivados são formados Por exemplo os elementos crivados perdem seus núcleos e tonoplastos membranas dos vacúolos durante o desenvolvimento Os microfilamentos os mi crotúbulos o complexo de Golgi e os ribossomos também inexistem nas células maduras Além da membrana plas mática as organelas mantidas incluem algumas mito côndrias relativamente modificadas plastídios e retículo endoplasmático liso As paredes não são lignificadas em bora haja um espessamento secundário em alguns casos Desse modo a estrutura celular dos elementos cri vados difere daquela dos elementos traqueais do xilema Citoplasma Plastídio modificado Membrana plasmática Parede primária espessada Placa crivada Mitocôndria Núcleo Célula companheira Elemento de tubo crivado Vacúolo Plasmodesmos ramificados Retículo endoplasmático liso Proteína P Cloroplasto Poro da placa crivada Elemento de tubo crivado A Placa crivada Poro da placa crivada Área crivada lateral B Célula companheira Elementos de tubo crivado 2 μm Figura 113 Desenhos esquemáticos de elementos crivados maduros elemen tos de tubo crivado unidos para for mar um tubo crivado A Visão externa mostrando as placas crivadas e as áreas crivadas laterais B Corte longitudinal mostrando esquematicamente um tubo crivado formado pela união de dois ele mentos de tubo crivado Os poros nas pla cas crivadas entre os elementos de tubo crivado são canais abertos para transpor te através do tubo A membrana plasmá tica de um elemento de tubo crivado é contínua com a do tubo adjacente Cada elemento de tubo crivado está associado a uma ou mais células companheiras as quais assumem algumas das funções me tabólicas essenciais que são reduzidas ou perdidas durante a diferenciação dos elementos de tubo crivado Observe que a célula companheira apresenta muitas organelas citoplasmáticas enquanto o elemento de tubo crivado apresenta rela tivamente poucas organelas Uma célula companheira ordinária é representada aqui Figura 114 Imagem ao microscópio eletrônico de um corte transversal de células companheiras ordinárias e elementos de tubo crivado maduros Os componentes celulares são distribuídos ao lon go das paredes dos elementos de tubo crivado onde oferecem me nos resistência ao fluxo de massa De Warmbrodt 1985 Taiz11indd 287 Taiz11indd 287 27102016 144724 27102016 144724 288 Unidade II Bioquímica e Metabolismo os quais não apresentam membrana plasmática possuem paredes secundárias lignificadas e são mortos na maturi dade Como será visto adiante as células vivas são cruciais para o mecanismo de translocação no floema Grandes poros nas paredes celulares caracterizam os elementos crivados Os elementos crivados células crivadas e elementos de tubo crivado apresentam áreas crivadas características em suas paredes nas quais poros interconectam as células condutoras Figura 115 Os poros da área crivada variam em diâmetro de menos de 1 μm até aproximadamente 15 μm Ao contrário das áreas crivadas de gimnospermas as áreas crivadas de angiospermas podem se diferenciar em placas crivadas ver Figura 115 e Tabela 111 As placas crivadas apresentam poros maiores do que outras áreas crivadas na célula e em geral são encontradas nas paredes terminais dos elementos de tubo crivado onde as células individuais são unidas para formar séries longitudinais denominadas tubos crivados ver Figura 113 A distribuição dos conteúdos dos tubos crivados es pecialmente dentro dos poros da placa crivada tem sido debatida por muitos anos e é uma questão crítica quan do se considera o mecanismo de transporte do floema As primeiras micrografias mostravam poros bloqueados ou obstruídos o que se acreditava ser consequência de danos causados durante a preparação dos tecidos para a observa ção Ver na próxima página Elementos de tubo crivado TABELA 111 Características dos dois tipos de elementos crivados em espermatófitas Elementos de tubo crivado encontrados em angiospermas 1 Algumas áreas crivadas são diferenciadas em placas crivadas elementos de tubo crivado individuais são unidos em um tubo crivado 2 Os poros da placa crivada são canais abertos 3 A proteína P está presente em todas as eudicotiledôneas e em muitas monocotiledôneas 4 As células companheiras são fontes de ATP e talvez de outros compostos Em algumas espécies elas atuam como células de transferência ou intermediárias Células crivadas encontradas em gimnospermas 1 Não há placas crivadas todas as áreas crivadas são similares 2 Os poros nas áreas crivadas parecem bloqueados com membranas 3 Não há proteína P 4 As células albuminosas algumas vezes atuam como células companheiras B C D A Célula parenquimática Poros desobstruídos da placa crivada Elemento crivado Elemento crivado Parede entre os elementos crivados Célula companheira Placa crivada aberta Tampão de calose 5 μm 5 μm 2 μm 15 μm danificados são vedados Mais tarde técnicas menos in vasivas demonstraram que os poros da placa crivada de elementos de tubos crivados são canais abertos que per mitem o transporte sem restrições entre as células ver Figura 115AC Mais adiante neste capítulo uma seção Os poros da placa crivada parecem ser canais abertos Figura 115 Elementos crivados e poros da placa crivada Nas imagens A B e C os poros estão abertos isto é não obstruídos pela proteína P ou calose Os poros abertos proporcionam uma rota de baixa resistência para o transporte entre os elementos crivados A Imagem ao microscópio eletrônico de um corte longitudinal de dois elementos crivados maduros elementos de tubo crivado mos trando a parede entre os elementos crivados denominada placa crivada no hipocótilo de abóbora Cucurbita maxima B O deta lhe mostra os poros de uma placa crivada em vista frontal C e D Reconstruções tridimensionais de placas crivadas de Arabidopsis utilizando uma técnica de coloração que permite visualizar órgãos vegetais inteiros por microscopia a laser confocal Poros abertos da placa são visíveis em C enquanto um tampão de calose tal qual como é formada em resposta ao dano no tubo é visualizada em D A e B de Evert 1982 C e D de Truernit et al 2008 Taiz11indd 288 Taiz11indd 288 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 289 considerará a distribuição de conteúdos de elementos cri vados dentro das células e nos poros da placa crivada Ao contrário dos poros em elementos de tubos crivados de angiospermas áreas crivadas em gimnospermas não pa recem ser canais abertos Todas as áreas crivadas nas gim nospermas como coníferas são estruturalmente similares embora possam ser mais numerosas nas paredes terminais sobrepostas das células crivadas Os poros das áreas criva das das gimnospermas reúnemse em grandes cavidades medianas no meio da parede celular O retículo endoplas mático liso REL recobre as áreas crivadas Figura 116 e é contínuo através dos poros crivados e da cavidade media na conforme indicado pela coloração específica do retículo endoplasmático RE A observação do material vivo com microscopia a laser confocal confirma que a distribuição observada do REL não é um artefato da fixação A Tabela 111 lista as características dos elementos de tubo crivado e das células crivadas Elementos de tubo crivado danificados são vedados A seiva do elemento de tubo crivado é rica em açúcares e outras moléculas orgânicas Seiva é um termo genérico utilizado para fazer referência ao conteúdo fluido das célu las vegetais Essas moléculas representam um investimen to energético para a planta e sua perda deve ser impedida quando os elementos de tubo crivado são danificados Os mecanismos de vedação de curto prazo envolvem proteínas da seiva enquanto o principal mecanismo de longo prazo para evitar a perda de seiva envolve o fechamento dos po ros da placa crivada com calose um polímero de glicose As principais proteínas do floema envolvidas na ve dação dos elementos crivados danificados são proteínas estruturais chamadas proteínas P ver Figura 113B Na literatura científica clássica a proteína P foi denominada mucilagem Os elementos de tubo crivado da maioria das angiospermas incluindo todas as eudicotiledôneas e mui tas monocotiledôneas são ricos em proteína P No entanto essa proteína está ausente em gimnospermas Ela ocorre em várias formas diferentes tubular fibrilar granular e crista lina dependendo da espécie e do estágio de maturação da célula Em células imaturas a proteína P é mais evidente como corpos distintos no citosol conhecidos como corpos de proteína P Esses corpos podem ser esferoidais fusifor mes ou torcidos e em espiral Eles geralmente assumem as formas tubular ou fibrilar durante a maturação da célula A proteína P parece agir na vedação de elementos cri vados danificados mediante obstrução dos poros das pla cas crivadas Os tubos crivados estão sob uma pressão de turgor interna muito alta e os elementos crivados em um tubo crivado estão conectados pelos poros abertos das pla cas crivadas Quando um tubo crivado é cortado ou per furado a diminuição da pressão provoca o deslocamento do conteúdo dos elementos crivados em direção à extremi dade cortada podendo levar a planta a perder muita seiva do floema rica em açúcar se não houvesse um mecanismo de vedação Entretanto quando esse deslocamento ocorre a proteína P e outras inclusões celulares ficam presas nos poros da placa crivada auxiliando na vedação do elemento crivado e na prevenção da perda adicional de seiva O apoio científico para a função de vedação da proteína P foi en contrado em tabaco e Arabidopsis nos quais mutantes ca rentes de proteína P perdem significativamente mais açúcar transportado por exsudação da seiva após um ferimento do que as plantas selvagens Para mais informações sobre ex sudação ver adiante A seiva do floema pode ser coletada e analisada Não foram observadas diferenças fenotípicas visíveis entre as plantas mutantes e de tipo selvagem Os cristais de proteínas liberados pela ruptura de plastídios podem exercer função semelhante de vedação em algumas monocotiledôneas como a proteína P em eu dicotiledôneas Por outro lado as organelas mitocôndrias plastídios e RE dos elementos crivados parecem estar pre sas umas às outras e à membrana do elemento crivado por grampos de proteínas muito pequenas As organelas que estão ancoradas dependem da espécie Outro mecanismo para bloquear os tubos crivados da nificados ocorre em plantas na família das leguminosas Fa baceae Essas plantas contêm grandes corpos de proteína P cristaloides que não se dispersam durante o desenvolvimen to Contudo após um dano ou choque osmótico a proteína P rapidamente difundese e bloqueia o tubo crivado O proces so é reversível e controlado por íons cálcio Essas proteínas P conhecidas como forissomos ocorrem em certas legumi nosas e são codificadas por membros da família de genes de oclusão de tubo crivado SEO sieve element occlusion 1 μm Célula crivada Célula crivada REL ac Célula crivada REL P ac P Figura 116 Imagens ao microscópio eletrônico ilustrando uma área crivada ac ligando duas células crivadas em conífera Pinus resinosa O retículo endoplasmático liso REL recobre a área crivada em ambos os lados e é também encontrado nos poros e na cavi dade mediana estendida Esses poros obstruídos resultam na alta resistência ao fluxo de massa entre as células crivadas P plastídio De Schulz 1990 Taiz11indd 289 Taiz11indd 289 27102016 144724 27102016 144724 290 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Membros homólogos dessa família gênica codificam proteínas P convencionais em outras espécies sendo de nominados genes SEOR genes relacionados à oclusão de tubo crivado de sieve element occlusion related Assim o termo proteína P inclui moléculas semelhantes que estão envolvidas no bloqueio de tubos crivados danificados em todas as angiospermas eudicotiledôneas bem como pro teínas P especiais como os forissomos PP1 e PP2 encon trados em Cucurbita maxima ver Tópico 112 na internet Uma solução de longo prazo para o dano no tubo crivado é a produção de calose um polímero de glicose nos poros da placa crivada Figura 115D A calose um β13glucano é sintetizada por uma enzima na membrana plasmática calose sintase e depositada entre a membrana e a parede celular A calose é sintetizada em um elemento crivado funcional em resposta à lesão e a outros estresses como estímulo mecâni co e altas temperaturas ou em preparação para os eventos normais do desenvolvimento como a dormência O depósito de calose de lesão nos poros da placa crivada isola de ma neira eficiente os elementos crivados danificados do tecido intacto adjacente sendo que a oclusão completa ocorre cerca de 20 minutos após o ferimento Em todos os casos à me dida que os elementos crivados se recuperam das lesões ou quebram a dormência a calose desaparece desses poros sua dissolução é mediada por uma enzima que hidrolisa a calose Enquanto mutantes de Arabidopsis e tabaco sem proteína P não exibem alterações fenotípicas visíveis mutantes de Ara bidopsis sem uma das enzimas caloses sintase mostram redu ção do crescimento da inflorescência aparentemente devido ao transporte reduzido de assimilados até ela A deposição da calose é induzida e os genes para calo se sintase são positivamente regulados em plantas de arroz Oryza sativa atacadas por insetos sugadores de floema ga fanhoto castanho Nilaparvata lugens isso ocorre tanto em plantas resistentes quanto em plantas suscetíveis ao inseto No entanto nas plantas suscetíveis a alimentação dos inse tos também ativa a enzima de hidrólise da calose Isso deso bstrui os poros permitindo a alimentação contínua e resulta na diminuição dos níveis de sacarose e amido na bainha da folha atacada Dessa forma a vedação de elementos crivados que tenham sido penetrados pelas peças bucais de insetos pode ter papel importante na resistência a herbívoros As células companheiras dão suporte aos elementos crivados altamente especializados Cada elemento de tubo crivado está associado a uma ou mais células companheiras ver Figuras 113B 114 e 115 A divisão de uma única célulamãe forma o elemento de tubo crivado e a célula companheira Numerosos plasmo desmos ver Capítulo 1 atravessam as paredes entre os elementos de tubo crivado e suas células companheiras os plasmodesmos frequentemente são complexos e rami ficados no lado da célula companheira A abundância de plasmodesmos sugere uma relação funcional estrita entre o elemento crivado e sua célula companheira uma asso ciação que é demonstrada pela rápida troca de solutos como corantes fluorescentes entre as duas células As células companheiras exercem um papel no trans porte dos produtos fotossintéticos das células produtoras nas folhas maduras para os elementos crivados nas ner vuras foliares menores Elas também assumem algumas das funções metabólicas críticas como a síntese proteica que são reduzidas ou perdidas durante a diferenciação dos elementos crivados Além disso as numerosas mitocôn drias das células companheiras podem fornecer energia na forma de ATP aos elementos crivados Há pelo menos três tipos diferentes de células compa nheiras nas nervuras menores das folhas maduras exporta doras células companheiras ordinárias células de trans ferência e células intermediárias Esses três tipos de células apresentam citoplasma denso e mitocôndrias abundantes As células companheiras ordinárias Figura 117A apresentam cloroplastos com tilacoides bem desenvol vidos e uma parede celular com superfície interna lisa O número de plasmodesmos conectando essas células às células adjacentes é variável e aparentemente reflete a rota de movimento dos açúcares à medida que estes se deslocam do mesofilo até as nervuras menores discutido na seção Carregamento do floema As células de transferência são semelhantes às célu las companheiras ordinárias com exceção do desenvolvi mento de invaginações da parede do tipo interdigitações em particular nas paredes celulares da face oposta ao ele mento crivado Figura 117B Essas invaginações da parede aumentam a área de superfície da membrana plasmática tornando maior o potencial de transferência de soluto atra vés da membrana Relativamente poucos plasmodesmos conectam esse tipo de célula a qualquer uma das células adjacentes exceto seu próprio elemento crivado Como consequência o simplasto do elemento crivado e sua célula de transferência são relativamente se não completamente isolados do simplasto das células adjacentes As células pa renquimáticas do xilema também podem ser modificadas como células de transferência servindo provavelmente para recuperar e redirecionar os solutos em movimento no xilema o qual também faz parte do apoplasto As células de transferência são mais frequentes nas intersecções na rota floemática bem como no floemafonte e nas rotas de des carregamento póselemento crivado Embora os simplastos das células de transferência e de algumas células companheiras ordinárias estejam relativamente isolados das células adjacentes há alguns plasmodesmos nas paredes dessas células A função deles não é conhecida O fato de estarem presentes indica que eles devem possuir uma função importante visto que o custo de possuílos é alto eles são as vias pelas quais os vírus se tornam sistêmicos na planta Entretanto são difí ceis de estudar por serem bastante inacessíveis Ao contrário das células de transferência as células intermediárias parecem ser apropriadas para a absorção de solutos por meio de conexões citoplasmáticas Figura 117C As células intermediárias apresentam numerosos plasmodesmos que as conectam com as células da bainha do feixe vascular Embora a presença de muitas conexões Taiz11indd 290 Taiz11indd 290 27102016 144724 27102016 144724 Capítulo 11 Translocação no Floema 291 por plasmodesmos às células adjacentes seja seu aspec to mais característico as células intermediárias também se distinguem por possuírem numerosos vacúolos bem como tilacoides pouco desenvolvidos e ausência de grãos de amido nos cloroplastos Em geral as células de transferência são encontradas nos vegetais que apresentam uma etapa apoplástica na transferência de açúcares das células do mesofilo aos ele mentos crivados As células de transferência transportam açúcares do apoplasto para o simplasto dos elementos cri vados e células companheiras na fonte Por outro lado as células intermediárias atuam no transporte simplástico de açúcares das células do mesofilo aos elementos de tubo cri vado Nas folhasfonte as células companheiras ordinárias podem atuar no transporte de longa distância via simplas to ou apoplasto dependendo em parte da quantidade de plasmodesmos ver seção Carregamento do floema Padrões de translocação fontedreno No floema a seiva não é transportada apenas na direção as cendente ou descendente e a translocação no floema não é determinada pela gravidade A seiva é na maior parte das vezes translocada das áreas de produção denominadas fon tes para as áreas de metabolismo ou armazenamento cha madas drenos Como consequência de sua função no trans porte de açúcares os elementos de tubo crivado das fontes são frequentemente referidos como floema de coleta os tu bos crivados da rota de conexão como floema de transporte e os elementos crivados dos drenos como floema de entrega As fontes incluem órgãos exportadores geralmente folhas maduras que são capazes de produzir fotossintatos além de suas necessidades O termo fotossintato refere se aos produtos da fotossíntese Outro tipo de fonte é um órgão de reserva que exporta durante determinada fase de seu desenvolvimento Por exemplo a raiz da beterra ba selvagem bianual Beta maritima é um dreno durante a estação de crescimento do primeiro ano quando acumula açúcares provenientes das folhasfonte Durante a segunda estação de crescimento a mesma raiz tornase uma fonte os açúcares são remobilizados e utilizados para produzir uma nova parte aérea que por fim tornase reprodutiva Os drenos incluem órgãos não fotossintéticos dos vegetais e órgãos que não produzem fotossintatos em A C B Célula companheira ordinária Elementos crivados Elementos crivados Célula intermediária Célula intermediária Invaginações da parede Célula de transferência Plasmodesmos Elemento crivado Células da bainha do feixe Célula parenquimática vascular Célula parenquimática Figura 117 Imagens ao microscópio eletrônico de células com panheiras nas nervuras de menor porte das folhas maduras A Três elementos crivados contíguos a duas células intermediárias e uma célula companheira ordinária menos densa em uma nervura menor de Mimulus cardinalis 6585x B Um elemento crivado adjacente à célula de transferência com numerosas invaginações da parede em ervilha Pisum sativum 8020x Essas invaginações aumentam consideravelmente a área de superfície da membrana plasmática da célula de transferência tornando maior o transporte de materiais do mesofilo para os elementos crivados C Uma célula intermediária típica com numerosos campos de plasmodesmos setas fazendo conexão com as células da bainha do feixe vascular adjacente Esses plasmodesmos são ramificados em ambos os lados mas as ramifi cações são mais longas e mais estreitas no lado da célula interme diária O floema das nervuras secundárias foi obtido da flormáscara Alonsoa warscewiczii 4700 A e C de Turgeon et al 1993 cortesia de R Turgeon B de Brentwood e Cronshaw 1978 Taiz11indd 291 Taiz11indd 291 27102016 144724 27102016 144724 292 Unidade II Bioquímica e Metabolismo quantidade suficiente para suas próprias necessidades de crescimento ou de reserva As raízes os tubérculos os fru tos em desenvolvimento e as folhas imaturas que devem importar carboidratos para seu desenvolvimento normal são exemplos de tecidosdreno Os estudos de anelamento e de marcação radioativa dão suporte ao padrão de trans locação fontedreno no floema Figura 118A Embora o padrão geral de transporte no floema possa ser dito simplesmente como um movimento fontedreno as rotas específicas envolvidas costumam ser mais com plexas dependendo da proximidade do desenvolvimento das conexões vasculares Figura 118B e da modificação das rotas de translocação Nem todas as fontes suprem to dos os drenos em uma planta ao contrário certas fontes suprem drenos específicos ver Tópico 111 na internet Materiais translocados no floema A água é a substância mais abundante no floema Os so lutos translocados incluindo carboidratos aminoácidos hormônios alguns íons inorgânicos RNA e proteínas além de alguns compostos secundários envolvidos na de fesa e na proteção estão dissolvidos em água Os carboi dratos são os solutos mais importantes e mais concentra dos na seiva do floema Tabela 112 sendo a sacarose o açúcar mais comumente transportado nos elementos cri vados Há sempre alguma sacarose na seiva dos elementos crivados podendo atingir concentrações de 03 a 09 M Os açúcares os íons potássio bem como os aminoácidos e suas amidas são as principais moléculas que contribuem para o potencial osmótico do floema A identificação completa de solutos móveis no floema e que têm uma função significativa tem se mostrado di fícil nenhum método de amostragem da seiva do floema é completamente livre de artefatos ou fornece um quadro completo de solutos móveis Essa discussão será iniciada com um breve exame dos métodos disponíveis de amos tragem seguindo com a descrição dos solutos que normal mente são aceitos como substâncias móveis no floema A seiva do floema pode ser coletada e analisada A coleta da seiva do floema é um desafio experimental devido à alta pressão de turgor nos elementos crivados e reações às lesões têm sido descritas ver Elementos de tubo crivado danificados são vedados e Tópico 113 na internet Devido aos processos que obstruem os poros da placa crivada apenas algumas espécies exsudam seiva do floema dos ferimentos que danificam elementos crivados Desafios e problemas consideráveis apresentamse quan do a seiva exsudada é coletada de cortes ou ferimentos As amostras iniciais podem ser contaminadas pelo conteúdo das células adjacentes danificadas Além de obstruir os poros da placa crivada a súbi ta liberação de pressão em elementos crivados pode perturbar organelas celulares e proteínas e até mesmo puxar substâncias das células vizinhas especialmente as células companheiras Esperase que alguns mate TABELA 112 Composição da seiva do floema de mamona Ricinus communis coletada como exsudado de cortes no floema Componente Concentração mg mL1 Açúcares 80106 Aminoácidos 52 Ácidos orgânicos 232 Proteína 14522 Potássio 2344 Cloreto 03550675 Fosfato 035055 Magnésio 01090122 Fonte Hall e Baker 1972 14 9 4 1 12 7 15 10 2 5 13 8 11 3 6 A 14CO2 B Feixes vasculares Figura 118 Padrões de translocação fontedreno no floema A Distribuição de radiatividade de uma única folha fonte marcada radiativamente em uma planta intacta A distri buição de radiatividade nas folhas da beterraba Beta vulgaris foi determinada uma semana após a aplicação de 14CO2 por 4 horas a uma única folhafonte seta O grau de marcação radiativa está indicado pela intensidade de sombreamento das folhas As folhas estão numeradas de acordo com a idade a mais jovem recentemente desenvolvida é designada 1 O 14C foi translocado principalmente para as folhasdreno diretamen te acima da folhafonte ou seja folhasdreno no mesmo or tóstico das folhasfonte p ex as folhas 1 e 6 são folhasdreno diretamente acima da folhafonte 14 B Visão longitudinal de uma estrutura tridimensional no floema de um corte espesso de um entrenó de dália Dahlia pinnata após clareamento coloração com azul de anilina e observação sob microscópio de epifluorescência As placas crivadas são vistas como pequenos pontos numerosos devido à coloração amarela da calose nas áreas crivadas Dois grandes feixes vasculares são proeminen tes Essa coloração revela os delicados tubos crivados formando a rede do floema duas anastomoses do floema interconexões vasculares estão indicadas com setas A com base nos dados de Joy 1964 B cortesia de R Aloni Taiz11indd 292 Taiz11indd 292 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 293 riais como a subunidade pequena da ribulose bifos fato carboxilase estejam presentes apenas em tecidos que circundam o floema a não detecção desses mate riais na seiva coletada fornece evidências de que não houve contaminação por tecidos adjacentes O exsudado é substancialmente diluído pelo influxo de água a partir do xilema e das células adjacentes quando a pressãotensão no tecido vascular é aliviada A seiva de cucurbitáceas tem sido utilizada em muitos estudos de materiais translocados Espécies dessa fa mília como pepino Cucumis sativa e abóbora C ma xima apresentam floema complexo incluindo elemen tos crivados tanto internos como externos ver seção Rotas de translocação anteriormente assim como ele mentos crivados externos aos feixes vasculares Além das preocupações já mencionadas a fonte de exsudado nessas espécies pode ser qualquer um dos tubos criva dos presentes e pode diferir entre as espécies A exsudação da seiva a partir de pecíolos ou hastes cor tados aumentada pela inclusão de EDTA no fluido coletado também tem sido utilizada em vários estudos Os agentes quelantes como EDTA ligamse aos íons cálcio e inibem a síntese de calose que requer íons cálcio permitindo assim que a exsudação ocorra por períodos prolongados No en tanto a exsudação em EDTA está sujeita a vários problemas técnicos adicionais como o vazamento de solutos incluindo hexoses dos tecidos afetados além de não ser um método confiável de obtenção de seiva de floema para análise A abordagem preferencial é o uso do estilete de um afídeo como uma seringa natural Os afídeos são pe quenos insetos que se alimentam inserindo suas peças bucais constituídas de quatro estiletes tubulares em um único elemento crivado de uma folha ou caule A seiva pode ser coletada dos estiletes cortados do corpo do in seto normalmente com laser após o afídeo ter sido anes tesiado com CO2 A alta pressão de turgor no elemento crivado força os conteúdos celulares pelo estilete até a extremidade cortada onde podem ser coletados No en tanto as quantidades de seiva coletadas são pequenas e o método é tecnicamente difícil Além disso a exsuda ção em estiletes excisados pode continuar por horas su gerindo que substâncias na saliva do afídeo impedem a ação do mecanismo normal de cicatrização dos elementos crivados e potencialmente alteram o conteúdo da seiva Apesar disso esse método resulta em seiva relativamente pura dos elementos crivados e das células companheiras e fornece uma ideia razoavelmente precisa sobre a com posição da seiva do floema ver Tópico 113 na internet Os açúcares são translocados na forma não redutora Os resultados de muitas análises da seiva coletada indicam que os carboidratos translocados são açúcares não reduto res Açúcares redutores como as hexoses glicose e frutose contêm um grupo aldeído ou cetona exposto Figura 119A Em um açúcar não redutor como a sacarose o grupo cetona ou aldeído é reduzido a um álcool ou combinado com um grupo semelhante em outro açúcar Figura 119B A maioria dos pesquisadores acredita que os açúcares não redutores são os principais compostos translocados no floema pois eles são menos reativos do que seus equi valentes redutores Na verdade açúcares redutores como hexoses são bastante reativos e podem representar uma ameaça como as espécies reativas de oxigênio e nitrogê nio Os animais podem tolerar o transporte de glicose pois ela está presente em concentrações relativamente baixas no sangue mas hexoses não podem ser toleradas no floema onde níveis muito elevados de açúcar são mantidos Me canicamente as hexoses são sequestradas nos vacúolos de células vegetais e por isso não têm acesso direto ao floema A sacarose é o açúcar mais comumente translocado muitos dos outros carboidratos móveis contêm sacarose ligada a um número variado de moléculas de galactose A rafinose consiste em sacarose e uma molécula de galac tose a estaquiose consiste em sacarose e duas moléculas de galactose e a verbascose consiste em sacarose e três moléculas de galactose ver Figura 119B Os açúcares alcoóis translocados incluem manitol e sorbitol Outros solutos são translocados no floema O nitrogênio é encontrado no floema principalmente na forma de aminoácidos e amidas em especial glutama to e aspartato e suas respectivas amidas glutamina e asparagina Os níveis de aminoácidos e ácidos orgânicos observados variam muito até na mesma espécie mas eles em geral são baixos quando comparados aos carboidra tos Ver Tópico 114 na internet para mais informações sobre o transporte do nitrogênio no floema Vários tipos de proteínas e RNAs estão presentes na seiva do floema em concentrações relativamente baixas Os RNAs encon trados no floema incluem mRNAs RNAs de patógenos e pequenos RNAs reguladores Quase todos os hormônios vegetais endógenos in cluindo auxinas giberelinas citocininas e ácido abscísico foram encontrados em elementos crivados Acreditase que o transporte de longa distância de hormônios es pecialmente a auxina ocorra pelo menos em parte nos elementos crivados Os nucleotídeos fosfato também são encontrados na seiva do floema Alguns solutos inorgânicos movemse no floema in cluindo potássio magnésio fosfato e cloreto ver Tabela 112 Por outro lado nitrato cálcio enxofre e ferro são re lativamente imóveis no floema As proteínas encontradas no floema incluem as proteí nas P estruturais como a PP1 e a PP2 envolvidas na obstru ção dos elementos crivados danificados assim como várias proteínas hidrossolúveis As funções de muitas dessas pro teínas estão relacionadas ao estresse e às reações de defesa ver tabela no Tópico 1112 na internet As possíveis fun ções dos RNAs e das proteínas como moléculas de sinali zação são discutidas posteriormente no final deste capítulo Taiz11indd 293 Taiz11indd 293 27102016 144725 27102016 144725 294 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Dglicose Dfrutose Dmanose Dmanitol Aldeído Os grupos redutores são os grupos aldeídos glicose e manose e os grupos cetona frutose Cetona Aldeído A Açúcares reduzidos que normalmente não são translocados no floema B Compostos normalmente translocados no floema Açúcarálcool Açúcar não redutor Aminoácido Ácido glutâmico Ácido alantoico Alantoína Ureides Citrulina Amida Glutamina Galactose Galactose Galactose Glicose Frutose A sacarose é o dissacarídeo formado a partir de uma molécula de glicose e uma de frutose A rafinose a estaquiose e a verbascose contêm sacarose ligada a uma duas ou três moléculas de galactose respectivamente O ácido glutâmico um aminoácido e a glutamina sua amida são compostos nitrogenados importantes no floema além do aspartato e da asparagina Espécies com nódulos fixadores de nitrogênio também utilizam ureides como formas de transporte de nitrogênio O manitol é um açúcarálcool formado da redução de um grupo aldeído da manose Estaquiose Verbascose Rafinose Sacarose H C C C OH H O HO C H H C OH H CH2OH OH C CH2OH C O HO C H H C OH H CH2OH OH HO C C C H H O HO C H H C OH H CH2OH OH OH HO HO O O CH2 CH2OH OH HO HO O O CH2 OH HO HO O O CH2 OH OH HO O O OH HO O CH2OH HOH2C C CH2OH C H HO C H HO H C OH H CH2OH OH C HO O C C C C OH H H H H H H H N O C H2N O C C C C OH H H H H H H H N O C C H2N O N C OH H H N C H2N O H O C HN C N H C NH2 NH O O H C N COOH CH2CH2CH2C H2N H O H C O NH2 Figura 119 Estrutura dos A compostos que normalmente não são translocados no floema e B daqueles normalmente trans locados Taiz11indd 294 Taiz11indd 294 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 295 Taxa de movimento Nas primeiras publicações sobre as taxas de transporte no floema as unidades de velocidade utilizadas eram centí metros por hora cm h1 e as unidades de transferência de massa eram gramas por hora por centímetro quadrado g h1 cm2 de floema ou de elementos crivados As uni dades atualmente utilizadas unidades SI são metros m ou milímetros mm para comprimento segundos s para tempo e quilogramas kg para massa As velocidades re latadas nesses estudos foram convertidas para as unidades SI e estão indicadas entre parênteses a seguir A taxa de movimento de materiais nos elementos cri vados pode ser expressa de duas maneiras como veloci dade a distância linear percorrida por unidade de tempo ou como taxa de transferência de massa a quantidade de material que passa por determinada secção transversal do floema ou dos elementos crivados por unidade de tem po Tem sido dada preferência às taxas de transferência de massa com base na área de secção transversal dos elemen tos crivados pois eles são as células condutoras do floema Os valores das taxas de transferência de massa variam en tre 1 e 15 g h1 cm2 de elementos crivados em unidades SI 28417 μg s1 mm2 ver Tópico 115 na internet Tanto as velocidades quanto as taxas de transferência de massa podem ser medidas com marcadores radiativos os métodos de medida de taxas de transferência de massa estão descritos no Tópico 115 na internet No tipo mais simples de experimento para medição de velocidade o CO2 marca do com 11C ou 14C é aplicado por um breve período à folha fonte pulso de marcação e a chegada da marca radiativa ao tecidodreno ou a um ponto especial ao longo da rota é monitorada com um detector de radiação apropriado Em geral as velocidades medidas por várias técnicas convencionais atingem em média 1 m h1 028 mm s1 variando de 03 a 15 m h1 em unidades SI 008042 mm s1 Uma medida recente de velocidade utilizando espec trometria de ressonância magnética e imagens de ressonân cia magnética resultou na velocidade média de 025 mm s1 em mamonas o que se assemelha à média obtida pelos mé todos tradicionais As velocidades de transporte no floema são bastante altas muito além da taxa de difusão em gran des distâncias Qualquer mecanismo proposto para translo cação no floema deve levar em conta essas altas velocidades Modelo de fluxo de pressão um mecanismo passivo para a translocação no floema O mecanismo mais amplamente aceito de translocação no floema de angiospermas é o modelo de fluxo de pressão Esse modelo explica a translocação no floema como um fluxo de solução fluxo de massa governado por um gra diente de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Esta seção descreve o modelo de fluxo de pressão as previsões decorrentes de fluxo de massa e os dados tanto os que corroboram quanto os que desafiam o mode lo No final da seção a possibilidade de aplicação do mo delo em gimnospermas é brevemente discutida Nas primeiras pesquisas sobre a translocação no floema tanto os mecanismos ativos quanto os passivos foram considerados Todas as teorias ativas e passivas supõem uma necessidade de energia tanto nas fontes quanto nos drenos Nas fontes a energia é necessária para sintetizar os materiais para o transporte e em alguns ca sos mover o fotossintato para os elementos crivados por transporte ativo de membrana O movimento de fotossin tatos nos elementos crivados é chamado de carregamento do floema e é discutido em detalhes mais adiante neste capítulo Nos drenos a energia é essencial para alguns aspectos do movimento dos elementos crivados para as célulasdreno as quais armazenam ou metabolizam o açúcar Esse movimento do fotossintato dos elementos cri vados para as célulasdreno é chamado de descarregamento do floema e também é discutido posteriormente Os mecanismos passivos do transporte no floema supõem ainda que é necessária energia nos elementos de tubo crivado da rota entre as fontes e os drenos simples mente para manter estruturas como membrana plasmática e recuperar açúcares que vazaram do floema O modelo de fluxo de pressão é um exemplo de mecanismo passivo As teorias de mecanismos ativos por outro lado postulam um gasto adicional de energia pelos elementos de tubo crivado da rota para acionar a translocação Enquanto as teorias ativas foram em grande parte desconsideradas o interes se em certos aspectos desses modelos pode ser renovado com base em observações de pressões presentes em plan tas grandes como árvores Ver discussão Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados Um gradiente de pressão gerado osmoticamente aciona a translocação no modelo de fluxo de pressão A difusão é um processo muito lento para ser responsá vel pelas velocidades de movimento de solutos observadas no floema As velocidades de translocação são em média de 1 m h1 a taxa de difusão seria de 1 m em 32 anos Ver Capítulo 3 para a discussão sobre as velocidades de difusão e as distâncias nas quais a difusão representa um mecanismo efetivo de transporte O modelo de fluxo de pressão inicialmente propos to por Ernst Münch em 1930 defende que um fluxo de so lução nos elementos crivados é acionado por um gradiente de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Ψp O carregamento do floema na fonte e o descarrega mento no dreno estabelecem o gradiente de pressão Como será visto mais adiante ver seção O carregamento do floema pode ocorrer via apoplasto ou simplasto existem três diferentes mecanismos de geração de altas concentrações de açúcares nos elementos crivados da fonte o metabolis mo fotossintético no mesofilo a conversão de fotoassimi lados para o transporte de açúcares em células intermediá rias aprisionamento de polímeros e o transporte ativo de membrana Lembrese do Capítulo 3 Equação 35 que Ψ Taiz11indd 295 Taiz11indd 295 27102016 144725 27102016 144725 296 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Ψs Ψp isto é Ψp Ψ Ψs Nos tecidosfonte o acúmulo de açúcares nos elementos crivados gera um potencial de soluto baixo negativo Ψs e causa uma queda acentuada no potencial hídrico Ψ Em resposta ao gradiente de po tencial hídrico a água entra nos elementos crivados e causa o aumento da pressão de turgor Ψp Na extremidade receptora da rota de translocação o descarregamento do floema leva a uma menor concen tração de açúcar nos elementos crivados gerando um po tencial de soluto mais alto mais positivo dos elementos crivados dos tecidosdreno À medida que o potencial hí drico do floema aumenta acima daquele do xilema a água tende a deixar o floema em resposta ao gradiente de po tencial hídrico provocando um decréscimo na pressão de turgor nos elementos crivados do dreno A Figura 1110 ilustra a hipótese do fluxo de pressão a figura mostra es pecificamente o caso no qual o transporte ativo de mem brana a partir do apoplasto gera uma concentração de açú car alta nos elementos crivados da fonte A seiva do floema movese mais por fluxo de massa do que por osmose Assim nenhuma membrana é trans posta durante o transporte de um tubo crivado para outro e os solutos movemse na mesma velocidade das molécu las de água Dessa forma o fluxo de massa pode ocorrer de um órgãofonte com um potencial hídrico mais baixo para um órgãodreno com potencial hídrico mais alto ou viceversa dependendo dos tipos de órgãofonte e dreno De fato a Figura 1110 ilustra um exemplo no qual o fluxo ocorre contra o gradiente de potencial hídrico Esse movi mento da água não transgride as leis da termodinâmica pois é um exemplo de fluxo de massa o qual é acionado por um gradiente de pressão ao contrário da osmose que é acionada por um gradiente de potencial hídrico De acordo com o modelo de fluxo de pressão o movi mento na rota de translocação é acionado pelo transporte de solutos e água para os elementos crivados da fonte e para fora dos elementos crivados do dreno A transloca ção passiva impulsionada por pressão e em longas distân cias nos tubos crivados depende em última instância dos mecanismos envolvidos no carregamento e no descarre gamento do floema Esses mecanismos são responsáveis pelo estabelecimento do gradiente de pressão Algumas previsões do modelo de fluxo de pressão têm sido confirmadas enquanto outras necessitam de experimentos adicionais Algumas previsões importantes surgem a partir do mo delo de translocação no floema como fluxo de massa su pradescrito O transporte bidirecional real ie o transporte si multâneo em ambas as direções não pode ocorrer Elemento de vaso xilema Elementos crivados floema Célula companheira Ψ 08 MPa Ψp 07 MPa Ψs 01 MPa H2O H2O H2O H2O Ψ 06 MPa Ψp 05 MPa Ψs 01 MPa O descarregamento do floema aumenta o potencial de soluto a água sai e provoca uma pressão de turgor mais baixa O carregamento ativo do floema para os elementos crivados causa diminuição do potencial de soluto a água entra e causa alta pressão de turgor Ψ 04 MPa Ψp 03 MPa Ψs 07 MPa H2O Célulafonte H2O Céluladreno Fluxo de massa da água e de soluto gerado por pressão da fonte para o dreno Sacarose Sacarose Corrente de transpiração Ψ 11 MPa Ψp 06 MPa Ψs 17 MPa Açúcar na fonte aqui ilustrado como sacarose esferas vermelhas é carregado ativamente no complexo elemento de tubo crivadocélula companheira No dreno os açúcares são descarregados Figura 1110 Modelo de translocação por fluxo de pressão no floema Estão indicados os valores possíveis de Ψ Ψ p e Ψ s no xilema e no floema De Nobel 2005 Taiz11indd 296 Taiz11indd 296 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 297 em um único elemento crivado Um fluxo de mas sa de solução impede esse movimento bidirecional pois uma solução pode fluir apenas em uma direção em um tubo em determinado tempo Os solutos no floema podem moverse bidirecionalmente mas em diferentes elementos crivados ou em tempos diferen tes Além disso a água e os solutos devem se mover na mesma velocidade em uma solução de fluxo Grandes gastos de energia não são necessários para impulsionar a translocação nos tecidos ao longo do trajeto Portanto tratamentos que restringem o su primento de ATP no trajeto como baixa temperatura anoxia e inibidores metabólicos não deveriam parar a translocação Entretanto é necessário haver energia para manter a estrutura dos elementos crivados para recarregar qualquer açúcar perdido do apoplasto por vazamento e talvez para recarregar açúcares na extre midade do elemento crivado O lume do elemento crivado e os poros da placa crivada devem estar desobstruídos Se a proteína P ou outros materiais obstruíssem os poros a resistência ao fluxo da seiva do elemento crivado poderia ser demasiada mente grande A hipótese de fluxo de pressão demanda a presença de um gradiente de pressão positivo com a pressão de turgor mais alta nos elementos crivados das fontes que nos elementos dos drenos De acordo com a ideia tradicional do fluxo de massa a diferença de pressão deve ser grande o suficiente para superar a resistência da rota e manter o fluxo nas velocidades observadas Assim os gradientes de pressão devem ser maiores nas rotas de transporte de longa distância como em árvores do que nas rotas de transporte de curta dis tância como em plantas herbáceas A evidência disponível a partir do teste dessas previsões é apresentada a seguir Não há transporte bidirecional em um único elemento crivado e solutos e água movemse na mesma velocidade Os pesquisadores têm investigado o transporte bidirecional por meio da aplicação de dois traçadores radiativos diferen tes em duas folhasfonte uma acima da outra Cada folha recebe um dos traçadores e um ponto entre as duas fontes é monitorado quanto à presença de ambos os traçadores O transporte em duas direções tem sido detectado com frequência em elementos crivados de diferentes feixes vasculares nos caules Ele também foi constatado nos ele mentos crivados adjacentes do mesmo feixe em pecíolos O transporte bidirecional em elementos crivados adjacen tes pode ocorrer no pecíolo de uma folha que esteja em transição entre dreno e fonte e simultaneamente importe e exporte fotossintatos através de seu pecíolo No entanto o transporte bidirecional em um único elemento crivado nunca foi demonstrado As velocidades medidas para o transporte no floema são notavelmente semelhantes sendo medidas com a utili zação de solutos marcados com carbono ou usando técnicas de ressonância magnética que detectam o fluxo de água Solutos e água movimentamse na mesma velocidade Ambas as observações falta de transporte bidirecio nal em um único elemento crivado e velocidades seme lhantes para solutos e água apoiam a existência de fluxo de massa nos elementos crivados do floema A necessidade de energia para o transporte no floema é pequena em plantas herbáceas Nas plantas herbáceas que sobrevivem a períodos de baixa temperatura como a beterraba Beta vulgaris o rápido res friamento de um segmento do pecíolo de uma folhafonte a cerca de 1C não causa inibição contínua do transporte de massa para fora da folha Figura 1111 Mais propriamen te há um breve período de inibição de minutos a poucas horas após o qual o transporte retorna lentamente à ve locidade controle O resfriamento reduz em cerca de 90 a taxa de respiração bem como a síntese e o consumo de ATP no pecíolo ao mesmo tempo em que a translocação é recuperada e prossegue normalmente Esses experimentos demonstram que a necessidade de energia para o trans porte através do floema dessas plantas é pequena coerente com a hipótese do fluxo de pressão Muitos dos efeitos dos tratamentos de resfriamento têm de fato sido atribuídos aos mecanismos de perda e recuperação ao longo do traje to em vez de ao próprio mecanismo de transporte Experimentos de resfriamento em plantas grandes como árvores em geral estendemse por longos períodos dias a algumas semanas Muitas vezes o resfriamento da haste nesses experimentos inibe o transporte no floema durante o período de tratamento No entanto os métodos utilizados para avaliar o transporte como as taxas de cres 60 40 20 50 30 10 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 460 Tempo min Taxa de translocação μg C min1 dm2 30C 1C 25C Figura 1111 A necessidade de energia para a translocação no trajeto é pequena em plantas herbáceas A perda de energia metabólica resultante do resfriamento do pecíolo da folhafonte reduz parcialmente a taxa de translocação na beterraba Entretan to a taxa de translocação é recuperada com o tempo apesar de a produção e a utilização do ATP serem fortemente inibidas por resfriamento 14CO2 marcado foi fornecido a uma folhafonte e um segmento de 2 cm de seu pecíolo foi resfriado a 1oC A translocação foi monitorada pela chegada do 14C à folhadreno 1 dm decíme tro 01 m De Geiger e Sovonick 1975 Taiz11indd 297 Taiz11indd 297 27102016 144725 27102016 144725 298 Unidade II Bioquímica e Metabolismo cimento radiais abaixo da zona de tratamento ou de efluxo de CO2 do solo não permitem que sejam observadas alte rações transitórias e de curto prazo no transporte Devese notar que os tratamentos extremos que ini bem todo metabolismo energético inibem a translocação mesmo em plantas herbáceas Por exemplo no feijoeiro o tratamento do pecíolo de uma folhafonte com um ini bidor metabólico cianeto leva à inibição da translocação para fora da folha No entanto o exame do tecido tratado por microscopia eletrônica revelou a obstrução dos poros da placa crivada com detritos celulares Obviamente esses resultados não dão suporte à questão da necessidade de energia para a translocação ao longo da rota Os poros da placa crivada parecem ser canais abertos Os estudos ultraestruturais dos elementos crivados são desafiadores devido à alta pressão interna dessas células Quando o floema é cortado ou morto lentamente com fixadores químicos a pressão de turgor nos elementos crivados é diminuída Os conteúdos celulares particu larmente a proteína P movemse em direção ao ponto de menor pressão e no caso dos elementos de tubo crivado acumulamse nas placas crivadas Por essa acumulação provavelmente muitas das imagens mais antigas ao mi croscópio eletrônico mostram placas obstruídas Mais recentemente técnicas de congelamento rápido e fixação fornecem imagens confiáveis de elementos criva dos inalterados O uso de microscopia de varredura con focal a laser que permite a observação direta da translo cação em elementos crivados vivos aborda a questão se os poros da placa crivada e o lume do elemento crivado estão abertos em tecidos intactos com translocação Quando plantas jovens de Arabidopsis são rapidamen te congeladas em nitrogênio líquido e então fixadas os po ros das placas crivadas não aparecem obstruídos Figura 1112A Os poros das placas crivadas de elementos crivados vivos e funcionais de fava na maioria das vezes também foram observados abertos A condição não obstruída de po ros vista em muitas espécies como cucurbitáceas beterraba feijoeiro Phaseolus vulgaris e Arabidopsis ver Figuras 115 e 1112A dá suporte ao modelo de fluxo de massa E sobre a distribuição da proteína P no lume do elemento de tubo crivado Imagens de micros copia eletrônica de unidades de tubo crivado pre paradas por congelamento rápido e fixação com frequência têm mostrado a proteína P ao longo da periferia dos tubos crivados ou uniformemente distribuída no lume da célu la Além disso os poros da placa crivada muitas vezes contêm proteína P em posições semelhantes revestindo o poro ou em uma rede frouxa Quando uma proteína relacionada à oclusão do elemen to crivado SEOR1 em Arabidopsis foi fusionada à proteína fluorescente amarela YFP yellow fluorescent protein e ob servada em microscopia confocal surgiu no entanto uma imagem um pouco diferente Enquanto uma malha de fi lamentos proteicos frequentemente se estendia por todo o lume Figura 1112B massas ou aglomerados de proteínas preenchiam grandes porções do lume do elemento crivado na placa crivada ou próximo a ela A estrutura dessas massas era altamente variável mas muitas vezes múltiplas massas grandes preenchiam todo o lume do elemento crivado Figu ra 1112C Essas estruturas foram observadas em elementos crivados vivos intactos com translocação Os pesquisadores concluíram que o fluxo de massa ainda é possível em Arabi dopsis Entretanto o conhecimento da porosidade das mas sas proteicas bem como o grau de interação da proteína com moléculas de água circundante será necessário para avaliar completamente o impacto de SEOR1 em Arabidopsis Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados as pressões em plantas herbáceas e árvores parecem ser semelhantes O fluxo de pressão ou fluxo de massa é o movimento combinado de todas as moléculas de uma solução acio nado por um gradiente de pressão Quais são os valores de pressão nos elementos crivados e como eles podem ser determinados Será que existe um gradiente de pressão entre fontes e drenos e se assim for o gradiente é modes to ou substancial As plantas grandes como árvores têm pressões proporcionalmente mais elevadas no floema do que espécies pequenas herbáceas A pressão de turgor em elementos crivados pode ser calculada a partir do potencial hídrico e do potencial os mótico Ψp Ψ Ψs ou medida diretamente A técnica mais efetiva utiliza micromanômetros ou transdutores A Poros das placas crivadas desobstruídos B C 25 μm 25 μm 500 nm Figura 1112 Poros de placas crivadas e tubos criva dos em Arabidopis A Em tecidos congelados e fixados os poros das placas crivadas estão frequentemente deso bstruídos e não contêm calose B Tubos crivados de raí zes vivas observados por microscopia confocal mostram o retículo endoplasmático verde circundado por uma fina malha filamentosa de SEOR1proteína fluorescen te amarela YFP azul C Massas ou aglomerados de SEOR1YFP às vezes preenchem totalmente o lume do tubo crivado nas imagens de microscopia confocal ver setas pontilhadas Os tubos crivados em B e C estavam vivos e funcionais De Froelich et al 2011 Taiz11indd 298 Taiz11indd 298 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 299 de pressão vedados nos estiletes de afídeos em exsudação ver Tópico 113 na internet Os dados obtidos são preci sos pois os afídeos perfuram um único elemento crivado e a membrana plasmática aparentemente veda ao redor do estilete do inseto As pressões medidas usando a técnica de estilete de afídeos variaram de 07 a 15 MPa tanto em plantas herbáceas quanto em árvores pequenas Estudos utilizando pressões de turgor calculadas de tectaram gradientes suficientes para acionar o fluxo de massa em algumas plantas herbáceas como a soja No en tanto não há estudos sistematizados em qualquer planta sobre gradientes de turgor medidos usando estiletes de afídeos Os dados são cruciais para qualquer avaliação da hipótese de fluxo de pressão Técnicas que possam medir as diferenças de turgor ao longo do mesmo tubo crivado contínuo tanto em plantas herbáceas quanto em plantas grandes como árvores devem ser desenvolvidas O desen volvimento de tais técnicas será um grande desafio técnico No entanto uma observação é bastante acertada ou seja as pressões de turgor em árvores não são proporcio nalmente maiores do que aquelas em plantas herbáceas Um estudo comparou as pressões de turgor calculadas técnica usada frequentemente em árvores e as pressões medidas usando estiletes de afídeos técnica usada em plantas herbáceas em pequenas mudas de salgueiro As duas técnicas produziram valores comparáveis com mé dia de 06 MPa para as pressões calculadas e 08 MPa para as pressões medidas As pressões calculadas foram tão elevadas como 20 MPa em indivíduos grandes de freixos Esses valores não são substancialmente diferentes daque les medidos nas plantas herbáceas como já observado aci ma Plantas herbáceas e árvores muitas vezes diferem em suas estratégias de carregamento do floema em uma ma neira coerente com as pressões relativamente baixas em árvores ver seção O carregamento do floema é passivo em diversas espécies arbóreas adiante Modelos alternativos para translocação por fluxo de massa foram sugeridos Não se deveria concluir o assunto de mecanismos de trans porte do floema sem considerar os modelos alternativos Um deles é o modelo coletor de alta pressão que é seme lhante ao modelo de fluxo de pressão mas com algumas di ferenças fundamentais No modelo coletor de alta pressão Altas pressões em elementos crivados são geradas principalmente na fonte e a capacidade de carrega mento do floema muitas vezes excede a capacidade de descarregamento A principal resistência ao fluxo de massa não ocorre nos tubos crivados ou nas placas crivadas do trajeto mas nos plasmodesmos entre o complexo elemento crivadocélula companheira e os tecidosdreno parti cularmente células do parênquima vascular O fluxo de massa assim estenderseia por toda a via a partir dos elementos crivados de fontes para os elementos crivados de drenos através dos plasmo desmos que ligam os elementos crivados do dreno ao parênquima vascular Uma vez que a maior resistên cia ocorre nos plasmodesmos pequenos gradientes de pressão ocorreriam entre os elementos crivados de fonte e de dreno mas as diferenças de pressão entre os elementos crivados de dreno e as células do parên quima do floema seriam grandes O sistema resultante poderia de forma eficiente e rá pida transmitir informações sobre as alterações na pressão ou na concentração de seiva em longas dis tâncias ver Tópico 116 na internet Outro modelo chamado de modelo de transmissão propõe que o floema consiste em unidades funcionais uni das em série e que solutos são transportados ativamente de uma unidade para a seguinte aumentando a pressão disponível para acionar o transporte em longas distâncias como as que existem nas árvores Enquanto ambos os mo delos sejam responsáveis por algumas das observações mencionadas sobre pressões de turgor nos tubos crivados o modelo de transmissão também requer gasto de energia ao longo do trajeto pelo menos em árvores Não se sabe se a necessidade de energia ao longo do trajeto é pequena em árvores como parece ser em plantas herbáceas Modelos matemáticos também podem fornecer ideias sobre o mecanismo de transporte do floema A digestão enzimática sequencial dos conteúdos celulares permitiu medições mais precisas de parâmetros de tubos criva dos como o raio do poro e o número de poros por placa A condutividade específica do elemento de tubo crivado em μm2 calculada a partir dessas medições mostra uma relação inversa com a velocidade da seiva do floema me dida por ressonância magnética Esse seria um resultado inesperado se a condutividade regulasse o transporte nos tubos crivados Nesse caso um tubo de maior condutância teria uma resistência mais baixa e seria esperado que uma dada pressão resultasse em uma velocidade de seiva mais elevada e não menor Ver Tópico 116 na internet para informações adicionais sobre os modelos matemáticos re centes para o transporte no floema O que se pode concluir dos experimentos e resultados descritos aqui Algumas observações são compatíveis com a operação por fluxo de massa e especificamente o mecanis mo de fluxo de pressão no floema de angiospermas o mo vimento de solutos e água na mesma velocidade a ausência de necessidade energética na rota de plantas herbáceas a presença de poros não obstruídos nas placas crivadas e a ausência de transporte bidirecional O significado de outras observações para o fluxo de pressão é mais problemático em particular a presença de massas de proteínas que blo queiam alguns elementos de tubos crivados e as pressões semelhantes nos elementos crivados de plantas herbáceas e árvores são de fato intrigantes Mais dados são necessários está claro que ainda não temos todas as explicações A translocação em gimnospermas envolve um mecanismo diferente Embora o modelo de fluxo de pressão explique a translo cação em angiospermas ele pode não ser adequado para Taiz11indd 299 Taiz11indd 299 27102016 144725 27102016 144725 300 Unidade II Bioquímica e Metabolismo gimnospermas Muito pouca informação sobre a fisiologia do floema das gimnospermas está disponível ver O car regamento do floema é passivo em diversas espécies arbó reas e a especulação sobre a translocação nessas espécies está baseada quase que completamente na interpretação de micrografias ao microscópio eletrônico Conforme já discu tido as células crivadas das gimnospermas são em muitos aspectos similares aos elementos de tubo crivado das an giospermas mas as áreas crivadas das células crivadas são relativamente pouco especializadas e não parecem consistir em poros abertos ver Figura 116 Nas gimnospermas os poros são preenchidos por numerosas membranas contínuas com o REL adjacente às áreas crivadas Tais poros são completamente inconsis tentes com as exigências da hipótese de fluxo de pressão Embora essas imagens ao microscópio eletrônico possam constituir um artefato e não consigam mostrar as condi ções do tecido intacto a translocação em gimnospermas poderia envolver um mecanismo diferente uma possibi lidade que requer investigação adicional Carregamento do floema Várias etapas de transporte estão envolvidas no movimen to de fotossintatos dos cloroplastos do mesofilo até os ele mentos crivados das folhas maduras 1 A triose fosfato formada pela fotossíntese durante o dia ver Capítulo 8 é transportada do cloroplasto para o citosol onde é convertida em sacarose Durante a noite o carbono do amido armazenado deixa o clo roplasto primariamente na forma de maltose sendo convertido em sacarose outros açúcares de transporte são posteriormente sintetizados a partir da sacarose em algumas espécies enquanto açúcaresalcoóis são sintetizados utilizando hexose fosfato e em alguns casos hexose como moléculas iniciais 2 A sacarose movese das células produtoras do meso filo para as células adjacentes aos elementos crivados das nervuras menores da folha Figura 1113 Essa rota de transporte de curta distância normalmente cobre uma distância do diâmetro de algumas células 3 Em um processo denominado carregamento do floema os açúcares são transportados para os ele mentos crivados e as células companheiras Obser ve que com relação ao carregamento os elementos crivados e as células companheiras muitas vezes são considerados como uma unidade funcional deno minada complexo elemento crivadocélula companheira Uma vez dentro dos elementos crivados a sacarose e outros solutos são translocados para longe da fonte um processo denominado exportação A transloca ção por meio do sistema vascular para o dreno é refe rida como transporte de longa distância Conforme discussão anterior os processos de carrega mento na fonte e talvez o descarregamento no dreno pro porcionam a força motriz para o transporte de longa distân cia e assim têm considerável importância básica e agrícola O completo entendimento desses mecanismos deveria fornecer as bases da tecnologia utilizada para intensificar a produtividade de plantas cultivadas pelo aumento do acú mulo de fotossintatos nos tecidosdreno comestíveis como os grãos dos cereais O carregamento do floema pode ocorrer via apoplasto ou simplasto Foi visto que os solutos principalmente os açúcares nas folhasfonte devem se mover das células fotossintetizantes no mesofilo para os elementos crivados A rota inicial de curta distância provavelmente é simplástica Figura 1114 Entretanto os açúcares poderiam se mover completamen te através do simplasto citoplasma via plasmodesmos para os elementos crivados ver Figura 1114A ou pode riam passar para o apoplasto antes do carregamento do floema ver Figura 1114B Para uma descrição geral do simplasto e do apoplasto ver Figura 44 Uma das duas vias apoplástica ou simplástica é dominante em algumas espécies muitas espécies contudo mostram evidências de serem capazes de utilizar mais do que um mecanismo de carregamento Para simplificar no início serão conside radas as vias separadamente retornandose em seguida ao assunto da diversidade de carregamento Atualmente vários mecanismos para o carregamento do floema são reconhecidos carregamento apoplástico car Célula do parênquima vascular Elemento crivado Parte do elemento traqueal xilema Célula do parênquima do floema Célula companheira ordinária Célula da bainha do feixe Figura 1113 Imagem ao microscópio eletrônico mostrando a relação entre os vários tipos de células de uma nervura de menor porte de uma folhafonte de beterraba 5000 As células fotos sintéticas células do mesofilo circundam a camada de células com pactamente organizadas da bainha do feixe vascular Os fotossinta tos do mesofilo devem se deslocar em uma distância equivalente a vários diâmetros celulares antes de serem carregados nos elementos crivados O movimento do mesofilo para os elementos crivados é assim conhecido como transporte de curta distância De Evert e Mierzwa 1985 cortesia de R Evert Taiz11indd 300 Taiz11indd 300 27102016 144725 27102016 144725 Capítulo 11 Translocação no Floema 301 regamento simplástico com aprisionamento de polímeros e carregamento simplástico passivo As pesquisas iniciais sobre o carregamento do floema tiveram foco na rota apo plástica provavelmente porque é muito comum em plantas herbáceas e portanto em plantas cultivadas Na verdade grande parte do nosso conhecimento de fisiologia vegetal é direcionada provavelmente pelo interesse principal nas culturas herbáceas Como visto a via apoplástica aparente mente é o mecanismo mais comum Nesta seção é inicial mente discutido o carregamento apoplástico e em seguida são introduzidos os dois tipos de carregamento simplástico aprisionamento de polímeros e carregamento simplástico passivo na ordem em que sua importância foi reconhecida Dados abundantes dão suporte à ocorrência do carregamento apoplástico em algumas espécies No caso do carregamento apoplástico os açúcares entram no apoplasto próximo ao complexo elemento crivado célula companheira Os açúcares são então ativamente transportados do apoplasto para os elementos crivados e as células companheiras por um transportador seletivo acionado por energia localizado nas membranas dessas células O efluxo para o apoplasto é altamente localizado ocorrendo provavelmente nas paredes das células do pa rênquima floemático Os transportadores de sacarose que medeiam o efluxo dela principalmente do parênquima floemático para o apoplasto próximo aos complexos ele mento crivadocélula companheira foram recentemente identificados em Arabidopsis e arroz como uma subfamília de transportadores SWEET O carregamento apoplástico do floema leva a três su posições 1 Os açúcares transportados deveriam ser encontrados no apoplasto 2 Em experimentos nos quais os açúcares são aplicados ao apoplasto os açúcares exógenos fornecidos deve riam se acumular nos elementos crivados e nas células companheiras 3 A inibição do efluxo do açúcar do parênquima do floema ou a absorção a partir do apoplasto deveria re sultar na inibição da exportação pela folha Muitos estudos dedicados a testar essas suposições têm for necido evidências consistentes para o carregamento apo plástico em várias espécies ver Tópico 117 na internet A absorção de sacarose na rota apoplástica requer energia metabólica Em muitas das espécies estudadas os açúcares estão mais concentrados nos elementos crivados e nas células com panheiras do que no mesofilo Essa diferença na concen tração do soluto pode ser demonstrada por medições do potencial osmótico Ψs de vários tipos celulares da folha ver Capítulo 3 Em beterraba o potencial osmótico do mesofilo é de cerca de 13 MPa e o potencial osmótico dos elemen tos crivados e das células companheiras é de cerca de 30 MPa Acreditase que a maior parte dessa diferença seja o resultado do açúcar acumulado especificamente sa carose porque esse é o principal açúcar transportado nessa Figura 1114 Esquema das rotas de carregamento do floema nas folhasfonte A Na rota totalmente simplástica os açúcares movemse de uma célula para outra pelos plasmodesmos duran te todo o percurso desde as células do mesofilo até os elementos crivados B Na rota parcialmente apoplástica os açúcares movem se inicialmente pelo simplasto mas entram no apoplasto imedia tamente antes do carregamento nas células companheiras e nos elementos crivados Os açúcares carregados nas células compa nheiras parecem se mover para os elementos crivados através dos plasmodesmos Açúcar Açúcar Açúcar Membrana plasmática Plasmodesmo Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe Elemento crivado CO2 Nervura menor Nervura menor Célula companheira A Carregamento simplástico Açúcar Açúcar Açúcar Membrana plasmática Plasmodesmo Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe Elemento crivado CO2 Célula do parênquima floemático B Carregamento apoplástico Célula companheira ordinária Taiz11indd 301 Taiz11indd 301 27102016 144726 27102016 144726 302 Unidade II Bioquímica e Metabolismo espécie Os estudos experimentais também têm demons trado que tanto a sacarose fornecida externamente quanto a sacarose produzida a partir dos produtos fotossintéticos se acumulam nos elementos crivados e nas células compa nheiras das nervuras menores das folhasfonte de beter raba Figura 1115 ver também Tópico 117 na internet O fato de a sacarose estar em concentração mais alta no complexo elemento crivadocélula companheira do que nas células adjacentes indica que esse açúcar é ativamente transportado contra seu gradiente de potencial químico A dependência do acúmulo de sacarose pelo transporte ati vo é apoiada pelo fato de que o tratamento do tecidofonte com inibidores respiratórios leva ao decréscimo na concen tração de ATP e inibe o carregamento do açúcar exógeno Os vegetais que carregam açúcares pela rota apoplásti ca para o floema podem também carregar ativamente ami noácidos e açúcaresalcoóis sorbitol e manitol Por outro lado outros metabólitos como ácidos orgânicos e hormô nios podem entrar passivamente nos elementos crivados Ver Tópico 117 na internet para discussão desses temas Na rota apoplástica o carregamento dos elementos crivados envolve um transportador de sacaroseH do tipo simporte Um transportador de sacaroseH do tipo simporte pare ce mediar o transporte de sacarose do apoplasto para o complexo elemento crivadocélula companheira Lembre se do Capítulo 6 de que o simporte é um processo de transporte secundário que utiliza a energia gerada por uma bomba de prótons ver Figura 610A A energia dissi pada pelos prótons no movimento de retorno para a célula é usada para absorver um substrato nesse caso a sacarose Figura 1116 Vários transportadores de sacaroseH do tipo sim porte foram clonados e localizados no floema SUT1 e SUC2 parecem ser os principais transportadores de saca rose no carregamento do floema para as células compa nheiras e para os elementos crivados Os dados de vários estudos apoiam o mecanismo de um transportador de sacaroseH do tipo simporte no carregamento do floema Ver Tópico 117 na internet para informações mais deta lhadas sobre transportadores de sacarose no floema O carregamento do floema é simplástico em algumas espécies Muitos resultados apontam para o carregamento apoplástico do floema em algumas espécies que transportam apenas sa carose e com poucos plasmodesmos que chegam às nervu ras menores do floema Entretanto muitas outras espécies apresentam numerosos plasmodesmos na interface entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes ver Figura 117C o que parece ser incompatível com o carregamento apoplástico Nessas espécies o funcio namento da via simplástica requer a presença de plasmodes mos abertos entre as diferentes células da rota Figura 1115 Esta autorradiografia mostra que o açúcar marca do se move contra o gradiente de concentração do apoplasto para os elementos crivados e as células companheiras de uma folhafonte de beterraba Uma solução de sacarose marcada com 14C foi aplica da por 30 minutos à superfície superior de uma folha de beterraba Beta vulgaris que havia sido previamente mantida em ausência de luz por 3 horas A cutícula da folha foi removida para permitir a pe netração da solução na folha O açúcar marcado acumulouse nas nervuras menores nos elementos crivados e nas células companhei ras da folhafonte como mostrado pelos acúmulos pretos indican do que a sacarose é ativamente transportada contra seu gradiente de concentração Fondy 1975 cortesia de D Geiger H H HATPase H Sacarose H Sacarose Transportador de sacaroseH do tipo simporte Baixa concentração de H Alta concentração de H ATP ADP Pi Complexo elemento crivadocélula companheira Figura 1116 Transporte de sacarose ATPdependente no carrega mento apoplástico do elemento crivado No modelo do cotransporte do carregamento de sacarose para o simplasto do complexo elemen to crivadocélula companheira a ATPase da membrana plasmática bombeia prótons para fora da célula no apoplasto Isso estabele uma concentração mais alta de prótons no apoplasto e um potencial de membrana de aproximadamente 120 mV A energia nesse gradiente de prótons é então utilizada como força motriz para o transporte de sacarose para o simplasto do complexo elemento crivadocélula com panheira via transportador de sacaroseH do tipo simporte Taiz11indd 302 Taiz11indd 302 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 303 O modelo de aprisionamento de polímeros explica o carregamento simplástico em plantas com células companheiras do tipo intermediário Uma rota simplástica tornouse evidente em espécies que além da sacarose transportam rafinose e estaquiose no floema Essas espécies têm células intermediárias nas ner vuras menores e numerosos plasmodesmos que chegam a essas nervuras Alguns exemplos dessas espécies incluem coleus Coleus blumei abóbora e abobrinha Cucurbita pepo e melão Cucumis melo Lembrese de que as células intermediárias são células companheiras especializadas ver As células companheiras dão suporte aos elementos criva dos altamente especializados anteriormente Duas questões principais surgem em relação ao carre gamento simplástico 1 Em muitas espécies a composição da seiva do ele mento crivado é diferente da composição de solutos dos tecidos adjacentes ao floema Essa diferença indi ca que certos açúcares são especificamente seleciona dos para o transporte na folhafonte O envolvimento de transportadores do tipo simporte no carregamento apoplástico do floema fornece um mecanismo claro para seletividade pois os transportadores são espe cíficos para certas moléculas de açúcares O carrega mento simplástico por outro lado depende da difusão de açúcares do mesofilo para os elementos crivados via plasmodesmos Como a difusão pelos plasmodes mos durante o carregamento simplástico pode ser se letiva para certos açúcares 2 Os dados de várias espécies com carregamento sim plástico indicam que os elementos crivados e as célu las companheiras têm conteúdo osmótico mais eleva do que o mesofilo potencial osmótico mais negativo Como o carregamento simplástico dependente da difusão poderia ser responsável pela seletividade das moléculas transportadas e pelo acúmulo de açúcares contra um gradiente de concentração O modelo de aprisionamento de polímeros Figura 1117 foi desenvolvido para esclarecer essas questões em espécies como coleus e cucurbitáceas O modelo postu la que a sacarose sintetizada no mesofilo se difunde das células da bainha do feixe para as células intermediárias pelos abundantes plasmodesmos que conectam esses dois tipos celulares Nas células intermediárias a rafinose e a estaquiose polímeros formados por três e quatro hexoses respectivamente ver Figura 119B são sintetizadas a partir da sacarose transportada e do galactinol um metabólito da galactose Em decorrência da anatomia do tecido e do tamanho relativamente grande da rafinose e da estaquio se os polímeros não podem se difundir de volta para as células da bainha do feixe mas difundemse para os ele mentos crivados As concentrações de açúcar nos elemen tos de tubo crivado dessas plantas podem atingir níveis equivalentes àqueles nas plantas que realizam carrega mento apoplástico A sacarose pode continuar a difundir se para as células intermediárias pois sua síntese no me sofilo e sua utilização nas células intermediárias mantêm o gradiente de concentração ver Figura 1117 Plasmodesmo Célula da bainha do feixe Célula intermediária Elemento crivado Derivado de glicose Frutose6P Sacarose Sacarose Rafinose mioinositol Galactinol A sacarose sintetizada no mesofilo difundese das células da bainha do feixe para as células intermediárias através dos plasmodesmos abundantes Nas células intermediárias a rafinose é sintetizada a partir de sacarose e galactinol mantendo assim o gradiente de difusão para a sacarose Devido ao seu tamanho maior esse açúcar não é capaz de se difundir de volta para o mesofilo A rafinose é capaz de se difundir para os elementos crivados Como resultado a concentração do açúcar transportado aumenta nas células intermediárias e nos elementos crivados Observe que a estaquiose foi omitida para simplificar o esquema Síntese de sacarose pelas enzimas sacarose fosfato sintase e sacarose fosfato fosfatase UDPglicose frutose6fosfato UDP sacarose6fosfato Sacarose6fosfato H2O sacarose Pi Síntese de rafinose pela rafinose sintase Sacarose galactinol mioinositol rafinose Figura 1117 Modelo de aprisiona mento de polímeros para o carregamen to do floema Para simplificar o trissa carídeo estaquiose foi omitido De van Bel 1992 Taiz11indd 303 Taiz11indd 303 27102016 144726 27102016 144726 304 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O modelo de aprisionamento de polímeros faz três predições 1 A sacarose deveria estar mais concentrada no mesofi lo do que nas células intermediárias 2 As enzimas para a síntese de rafinose e estaquiose de veriam estar preferencialmente localizadas nas célu las intermediárias 3 Os plasmodesmos que ligam as células da bainha do feixe e as células intermediárias deveriam excluir mo léculas maiores do que a sacarose Os plasmodesmos entre as células intermediárias e os elementos criva dos devem ser mais largos para permitir a passagem da rafinose e da estaquiose Vários estudos sustentam o modelo de aprisionamen to de polímeros em algumas espécies Entretanto resul tados recentes de modelagem sugerem que outros fatores ainda desconhecidos precisam estar presentes para per mitir que os plasmodesmos bloqueiem o transporte de oligossacarídeos como rafinose e estaquiose de volta para o mesofilo enquanto permitem o fluxo suficiente de sa carose nas células intermediárias para manter as taxas de transporte observadas Ver Tópico 117 na internet para mais detalhes O carregamento do floema é passivo em diversas espécies arbóreas O carregamento simplástico passivo do floema foi recen temente reconhecido como um mecanismo amplamente distribuído nos vegetais Mesmo que os dados que dão suporte a esse mecanismo sejam recentes o carregamento simplástico passivo foi na realidade uma parte da con cepção original de Münch sobre o fluxo de pressão Tornouse evidente que várias espécies arbóreas apre sentam numerosos plasmodesmos entre o complexo ele mento crivadocélula companheira e as células adjacentes mas não possuem células intermediárias e não transpor tam rafinose e estaquiose Árvores como salgueiro Salix babylonica e macieira Malus domestica estão entre as es pécies que se enquadram nessa categoria assim como a gimnosperma Pinus sylvestris Essas plantas não apresen tam a etapa de concentração na rota a partir do mesofilo para o complexo elemento crivadocélula companheira Como o gradiente de concentração do mesofilo ao floema aciona a difusão ao longo da rota de curta distância os níveis absolutos de açúcares nas folhasfonte dessas es pécies devem ser altos para manter a exigência de altas concentrações de soluto e as consequentes altas pressões de turgor nos elementos crivados Embora haja grande va riação mais de 50 vezes e uma sobreposição considerável entre os grupos de plantas com diferentes mecanismos de carregamento as concentrações de açúcar nas folhas fonte em geral são mais elevadas nas espécies arbóreas que apresentam carregamento passivo O tipo de carregamento do floema está correlacionado a muitas características significativas Conforme já discutido o funcionamento das rotas apo plástica ou simplástica de carregamento do floema está correlacionado com características específicas listadas na Tabela 113 TABELA 113 Padrões de carregamento apoplástico e simplástico Característica Carregamento apoplástico Aprisionamento simplástico de polímeros Carregamento simplástico passivo Açúcar de transporte Sacarose Rafinose e estaquiose além da sacarose Sacarose e açúcaresalcoóis Células companheiras características Células companheiras ordinárias ou células de transferência Células intermediárias Células companheiras ordinárias Número e condutividade de plasmodesmos conectando o complexo ECCC às células adjacentes Baixo Alto Alto Dependência de carregadores ativos no complexo ECCC Dependente de transportadores Independente de transportadores Independente de transportadores Concentração total de açúcares transportados em folhasfonte Baixa Baixa Alta Tipo de célula na qual a força motriz para o transporte de longa distância é gerada Complexo elemento crivado célula companheira Células intermediárias Mesofilo Hábito de crescimento Principalmente herbáceo Herbáceo e espécies lenhosas Principalmente arbóreo Fontes Gamalei 1985 van Bel et al 1992 Rennie e Turgeon 2009 Nota As plantas que utilizam os três mecanismos de carregamento do floema podem também transportar açúcaresalcoóis Além disso algumas espécies podem fazer o carregamento tanto pela via apoplástica quanto pela via simplástica visto que tipos diferentes de células companheiras podem ser encontrados nas nervuras de uma mesma espécie Complexo ECCC complexo elemento crivadocélula companheira Taiz11indd 304 Taiz11indd 304 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 305 As espécies que apresentam carregamento apoplástico do floema como estratégia principal translocam quase exclusivamente sacarose possuem células companhei ras ordinárias ou células de transferência nas nervu ras menores Essas espécies geralmente têm poucas conexões entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes Os carregadores ativos no complexo elemento crivadocélula compa nheira concentram sacarose nas células e geram a for ça motriz para o transporte de longa distância As espécies que utilizam carregamento simplástico do floema com aprisionamento de polímeros translocam oligossacarídeos como rafinose além da sacarose Elas apresentam células companheiras do tipo intermediá rias nas nervuras menores com conexões abundantes entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes O aprisionamento de polímeros concentra açúcares de transporte nas células do floema e gera a força motriz para o transporte de longa distância As espécies que utilizam carregamento simplástico pas sivo do floema translocam sacarose e açúcaresalcoóis e apresentam células companheiras ordinárias nas ner vuras menores Essas espécies também possuem cone xões abundantes entre o complexo elemento crivado célula companheira e as células adjacentes As espécies com carregamento simplástico passivo são caracteri zadas por altas concentrações totais de açúcares nas folhasfonte o que mantém um gradiente de concen tração entre o mesofilo e o complexo elemento crivado célula companheira A concentração alta de açúcares proporciona pressões de turgor altas nos elementos cri vados das folhasfonte gerando a força motriz para o transporte de longa distância Muitas das espécies com carregamento simplástico passivo são arbóreas O Tópico 117 na internet discute as relações entre as ca racterísticas de carregamento tipo de célula companheira açúcares de transporte e abundância de plasmodesmos e os mecanismos de carregamento em várias espécies Na discussão anterior o carregamento apoplástico o carregamento simplástico com o aprisionamento de polí meros e o carregamento passivo foram considerados sepa radamente No entanto evidências têm mostrado que mui tas se não todas as plantas são capazes de utilizar mais de um mecanismo de carregamento pelo menos em alguma extensão Por exemplo dados estruturais e fisiológicos indi cam que algumas plantas que apresentam aprisionamento de polímeros também são capazes de carregar o floema de forma apoplástica Algumas dessas plantas como o péde urso Acanthus mollis possuem tanto células de transfe rência quanto células intermediárias em suas nervuras menores Outra espécie com aprisionamento de polímeros Alonsoa meridionalis expressa um gene para estaquiose sin tase em células intermediárias o que é indicativo de apri sionamento de polímeros mas não o expressa em células companheiras ordinárias as mesmas plantas expressam um transportador de sacarose em células companheiras or dinárias indicativo de carregamento apoplástico mas não o fazem nas células intermediárias Outras espécies como Fraxinus utilizam possivelmente todas as três estratégias de carregamento No outro extremo do espectro estão as espécies que fazem o carregamento do floema quase intei ramente por um único mecanismo Mesmo uma ligeira re dução na atividade do transportador de sacaroseH do tipo simporte e assim na capacidade de carregamento a partir do apoplasto resultou na inibição significativa do carrega mento em tabaco Nicotiana tabacum um carregador apo plástico mas reduções ainda mais severas na atividade do transportador do tipo simporte têm pouco efeito sobre Ver bascum phoeniceum um carregador simplástico As frequências de plasmodesmos sugerem que a es tratégia de carregamento passivo é ancestral nas angios permas enquanto o carregamento apoplástico e o aprisio namento de polímeros evoluíram mais tarde No entanto é possível que a capacidade de carregamento por múlti plos mecanismos possa ter estado presente mesmo nas primeiras angiospermas Mecanismos múltiplos de carre gamento podem permitir a rápida adaptação das plantas a estresses abióticos como a baixas temperaturas Os meca nismos de comutação também podem refletir estresses bi óticos como infecções virais Com certeza a evolução dos diferentes tipos de carregamento e as pressões ambientais relacionadas à sua evolução continuarão sendo importan tes áreas de pesquisa à medida que as rotas de carrega mento são esclarecidas em um maior número de espécies Descarregamento do floema e transição drenofonte Como os eventos que levam à exportação de açúcares já foram discutidos o processo de importação pelos dre nos como as raízes em desenvolvimento os tubérculos e as estruturas reprodutivas será examinado De muitas maneiras os eventos nos tecidosdreno são simplesmente o inverso dos eventos que ocorrem nos tecidosfonte As etapas seguintes estão envolvidas na importação de açú cares pelas célulasdreno 1 Descarregamento do floema Esse é o processo pelo qual os açúcares importados deixam os elementos crivados dos tecidosdreno 2 Transporte de curta distância Após o descarregamento dos elementos crivados os açúcares são transporta dos para as células no dreno por meio de uma rota de transporte de curta distância Essa rota também é chamada de transporte póselemento crivado 3 Armazenamento e metabolismo Na etapa final os açú cares são armazenados e metabolizados nas células dreno Nesta seção são discutidas as seguintes questões o descarregamento do floema e o transporte de curta distância são processos simplásticos ou apoplásticos A sacarose é hi drolisada durante o processo O descarregamento do floema e as etapas subsequentes requerem energia Por último é examinado o processo de transição pelo qual uma folha im portadora jovem se torna uma folhafonte exportadora Taiz11indd 305 Taiz11indd 305 27102016 144726 27102016 144726 306 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O descarregamento do floema e o transporte de curta distância podem ocorrer via rotas simplástica ou apoplástica Nos órgãosdreno os açúcares movemse dos elementos crivados para as células que armazenam ou metabolizam essas moléculas Os drenos variam desde órgãos vegeta tivos em crescimento ápices de raízes e folhas jovens até órgãos de reserva raízes e caules e órgãos de reprodução e dispersão frutos e sementes Como os drenos variam bastante em estrutura e função não há um esquema único para o descarregamento do floema e para o transporte de curta distância Nesta seção são enfatizadas as diferenças nas rotas de importação devido a variações nos tipos de dreno no entanto muitas vezes a rota também depende do estágio de desenvolvimento do dreno Como nas fontes os açúcares podem se mover no dre no completamente no simplasto pelos plasmodesmos ou podem entrar no apoplasto em determinado ponto da rota A Figura 1118 ilustra as várias rotas possíveis nos drenos Tanto a rota de descarregamento quanto o transporte de curta distância parecem ser completamente simplásticos em algumas das folhas jovens de eudicotiledôneas como beter raba e tabaco ver Figura 1118A As regiões meristemáticas e de alongamento dos ápices das raízes primárias também parecem apresentar o descarregamento simplástico Enquanto a importação pela rota simplástica predo mina na maioria dos tecidosdreno parte do transporte de curta distância é apoplástica em alguns órgãosdreno em algumas etapas do desenvolvimento por exemplo em frutos sementes e outros órgãos de armazenamento que acumulam concentrações altas de açúcares ver Figura 1118B A rota pode alternar entre simplástica e apoplástica nesses drenos com uma etapa apoplástica sendo necessá ria quando as concentrações de açúcar no dreno são eleva das A etapa apoplástica poderia ocorrer no próprio local de descarregamento tipo 1 na Figura 1118B ou em um ponto mais distante dos elementos crivados tipo 2 Esse sistema tipo 2 típico de sementes em desenvolvimento parece ser o mais comum nas rotas de descarregamento apoplástico Uma etapa apoplástica é necessária nas sementes em desenvolvimento pois não há conexões citoplasmáticas en tre os tecidos maternos e os tecidos do embrião Os açúcares saem dos elementos crivados descarregamento do floema por meio da rota simplástica e são transferidos do simplasto para o apoplasto em determinado ponto distante do com plexo elemento crivadocélula companheira tipo 2 na Figura 1118B A etapa apoplástica permite o controle da membra na sobre as substâncias que entram no embrião pois duas membranas devem ser atravessadas nesse processo Quando ocorre uma etapa apoplástica na rota de im portação o açúcar de transporte pode ser parcialmente metabolizado no apoplasto ou pode atravessar o apoplasto sem sofrer modificações ver Tópico 118 na internet Por exemplo a sacarose pode ser hidrolisada à glicose e à fru tose no apoplasto pela invertase uma enzima de clivagem da sacarose e a glicose eou frutose poderiam então entrar nas célulasdreno Tais enzimas de clivagem de sacarose têm função no controle que os tecidosdreno exercem sobre o transporte no floema ver Tópico 1110 na internet O transporte para os tecidosdreno necessita de energia metabólica Estudos com inibidores demonstraram que a importação para os tecidosdreno depende de energia As folhas em crescimento as raízes e os drenos de reserva nos quais o carbono é armazenado como amido ou proteína parecem utilizar a rota simplástica de descarregamento do floema e o transporte de curta distância Os açúcares de transporte são usados como substratos para a respiração e metaboli Rota de descarregamento do floema Descarregamento simplástico do EC A Descarregamento simplástico do floema e transporte de curta distância B Descarregamento apoplástico do floema e transporte de curta distância Plasmodesmo Céluladreno ECCC 1 2A 2B Parede celular Tipo 1 Esta rota de curta distância é designada apoplástica pois uma etapa a de descarregamento do floema do complexo elemento crivadocélula companheira ocorre no apoplasto Uma vez que os açúcares estejam de volta ao simplasto das células contíguas o transporte é simplástico Tipo 2 Estas rotas também apresentam uma etapa apoplástica No entanto o descarregamento do floema a partir do complexo elemento crivadocélula companheira é simplástico A etapa apoplástica ocorre mais adiante nas rotas A figura superior 2A ilustra uma etapa apoplástica próxima do complexo elemento crivadocélula companheira a figura inferior 2B mostra uma etapa apoplástica que é posteriormente removida Figura 1118 Rotas de descarregamento do floema e transpor te de curta distância O complexo elemento crivadocélula compa nheira ECCC é considerado uma unidade funcional isolada A pre sença de plasmodesmos estabelece uma continuidade simplástica funcional A ausência de plasmodesmos entre as células indica a etapa de transporte apoplástico A Descarregamento simplástico do floema e transporte de curta distância Todas as etapas são sim plásticas B Descarregamento apoplástico do floema e transporte de curta distância Taiz11indd 306 Taiz11indd 306 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 307 zados em polímeros de reserva e em compostos necessá rios para o crescimento Assim o metabolismo da sacarose leva à baixa concentração desse açúcar nas célulasdreno mantendo o gradiente de concentração para a absorção de açúcar Nessa rota os açúcares absorvidos pelas células dreno não atravessam membranas e o transporte é pas sivo os açúcares movemse de uma alta concentração nos elementos crivados para uma baixa concentração nas célulasdreno Portanto nesses órgãosdreno a energia metabólica é necessária principalmente para respiração e reações de biossíntese Na importação apoplástica os açúcares devem atra vessar pelo menos duas membranas a membrana plas mática da célula que está liberando o açúcar e a membra na plasmática da céluladreno Quando os açúcares são transportados para o vacúolo da céluladreno eles devem também atravessar o tonoplasto Conforme discutido an teriormente o transporte através de membranas em uma rota apoplástica pode depender de energia Apesar de al gumas evidências indicarem que tanto o efluxo quanto a absorção de sacarose podem ser processos ativos ver Tó pico 118 na internet os transportadores já foram com pletamente caracterizados Uma vez demonstrado em alguns estudos que os transportadores podem ser bidirecionais alguns dos mes mos transportadores de sacarose descritos anteriormente para o carregamento de sacarose poderiam também estar envolvidos no descarregamento desse carboidrato a dire ção do transporte dependeria do gradiente da sacarose do gradiente de pH e do potencial de membrana Além disso os transportadores do tipo simporte importantes no carre gamento do floema foram encontrados em alguns tecidos dreno como o SUT1 em tubérculos de batata O trans portador do tipo simporte pode atuar na recuperação da sacarose do apoplasto na importação para as célulasdreno ou em ambos Os transportadores de monossacarídeos de vem estar envolvidos na importação para as célulasdreno quando a sacarose é hidrolisada no apoplasto Em uma folha a transição de dreno para fonte é gradual As folhas de eudicotiledôneas como do tomateiro ou do feijoeiro iniciam seu desenvolvimento como órgãosdre no Uma transição entre o estado de dreno e de fonte ocor re mais tarde no desenvolvimento quando a folha está cerca de 25 expandida e normalmente completase quando a folha está de 40 a 50 expandida A exportação a partir da folha inicia na extremidade ou no ápice da lâ mina foliar e progride em direção à base até que toda a fo lha se torne exportadora de açúcar Durante o período de transição a extremidade exporta açúcar enquanto a base o importa de outras folhasfonte Figura 1119 A maturação das folhas é acompanhada por um grande número de mudanças anatômicas e funcionais resultando na reversão da direção do transporte ou seja passando de importação para exportação Em geral o encerramento da importação e o início da exportação são eventos indepen dentes Em folhas albinas de tabaco que não apresentam clorofila e são portanto incapazes de realizar fotossíntese a importação é interrompida no mesmo estágio de desen volvimento das folhas verdes embora a exportação não seja possível Portanto algumas outras mudanças devem ocorrer nas folhas de tabaco em desenvolvimento para que elas cessem a importação de açúcares Em tabaco os açúcares são carregados e descarrega dos quase que inteiramente por nervuras diferentes Figu ra 1120 contribuindo para a conclusão de que o encerra mento da importação e o início da exportação são eventos separados As nervuras de menor porte em última análi se responsáveis pela maioria do carregamento no tabaco e em outras espécies de Nicotiana não amadurecem até o momento de parada da importação e não participam do descarregamento Desse modo a alteração que interrompe a impor tação deve envolver o bloqueio do descarregamento das nervuras maiores em determinado ponto do desenvolvi mento das folhas maduras Os fatores que poderiam ser responsáveis por essa interrupção no descarregamento in A B C D Figura 1119 Autorradiografias de uma folha de abobrinha Cucurbita pepo ilustrando a transição da folha do estado de dre no para fonte Em cada caso a folha importou o 14C da folhafonte na planta por 2 horas O carbono marcado é visualizado como o acúmulo preto A A folha inteira como um dreno importando açú car da folhafonte BD A base ainda é dreno À medida que a extremidade da folha perde a capacidade de descarregar e deixa de importar açúcar conforme mostrado pela perda dos acúmulos pretos ela adquire a capacidade de carregar e exportar açúcar De Turgeon e Webb 1973 Taiz11indd 307 Taiz11indd 307 27102016 144726 27102016 144726 308 Unidade II Bioquímica e Metabolismo cluem o fechamento dos plasmodesmos e o decréscimo na frequência de plasmodesmos Dados experimentais têm mostrado que podem ocorrer tanto o fechamento quanto a eliminação dos plasmodesmos A exportação de açúcares inicia quando ocorrem even tos que interrompem a rota de importação e ativam o carre gamento apoplástico e quando o carregamento acumula fo tossintatos suficientes nos elementos crivados para acionar a translocação para fora da folha As condições seguintes são necessárias para iniciar a exportação A folha está sintetizando fotossintatos em quantidade suficiente de modo que um pouco fica disponível para exportação Os genes para a síntese de sacarose estão sendo expressos As nervuras de menor porte responsáveis pelo car regamento atingem a maturação Um elemento re gulador enhancer foi identificado no DNA de Arabi dopsis e atua como parte de uma cascata de eventos que levam à maturação das nervuras de menor porte O elemento regulador pode ativar um gene repórter fusionado a um promotor específico de célula compa nheira e o faz no padrão ápicebase como na transição do dreno para a fonte O transportador de sacaroseH do tipo simporte é expresso e está localizado no plasmalema do comple xo elemento crivadocélula companheira A regulação desses eventos está sendo investigada Em Arabidop sis o promotor do gene SUC2 por exemplo tornase ativo nas células companheiras em um padrão que corresponde à transição do dreno para a fonte Figura 1121 Os sítios de ligação para fatores de transcri ção foram identificados no promotor de SUC2 o qual coordena a expressão gênica específica para a fonte e para a célula companheira Em folhas de beterraba e tabaco a capacidade de acu mular sacarose exógena no complexo elemento crivado célula companheira é adquirida à medida que as folhas entram na transição drenofonte sugerindo que o trans portador do tipo simporte necessário para o carregamen to do floema tornouse funcional Nas folhas em desen volvimento de Arabidopsis a expressão do transportador do tipo simporte que parece ser o responsável pelo trans porte de açúcares durante o carregamento inicia no ápice 1 1 2 2 3 3 3 A B C Folhafonte Folha em transição drenofonte Figura 1120 A divisão de tarefas em nervuras de folha de tabaco é mostrada em A Quando a folha está imatura e ainda na fase de dreno B o fotos sintato é importado das folhas maduras e distribuído setas por toda a lâmina foliar pelas nervuras maiores linhas espessas As nervuras maiores estão nume radas sendo a nervura central a de primeira ordem O fotossintato importado é descarregado das mesmas nervuras principais no mesofilo As nervuras menores estão mostradas nas áreas delimitadas por nervuras de terceira ordem e não atuam na importação e no descarregamento pois estão imaturas Na folhafonte C a importação é interrompida e a exportação ini cia Os fotossintatos são carregados nas nervuras me nores linhas espessas enquanto as nervuras maio res atuam somente na exportação setas Elas não podem mais realizar o descarregamento Embora B tenha sido desenhada em escala com a autorradiogra fia C não está em proporções corretas pois a lâmina cresce consideravelmente à medida que a folha avan ça na maturação De Turgeon 2006 Figura 1121 A exportação a partir do tecidofonte depende do local e da atividade dos transportadores ativos de sacarose A figura mostra uma roseta de Arabidopsis transformada com uma constru ção consistindo em um gene repórter sob controle de um promotor AtSUC2 O SUC2 um transportador de sacaroseH do tipo simporte é um dos principais transportadores de sacarose que atuam no carre gamento do floema O sistema repórter GUS forma um produto azul visível onde o promotor está ativo A coloração é visível somente no tecido vascular das folhasfonte e nos ápices das folhas que estão em transição drenofonte De Schneidereit et al 2008 Taiz11indd 308 Taiz11indd 308 27102016 144726 27102016 144726 Capítulo 11 Translocação no Floema 309 e prossegue em direção à base da folha durante a transição drenofonte O mesmo padrão basípeto é visto no desen volvimento da capacidade de exportação Distribuição dos fotossintatos alocação e partição A taxa fotossintética determina a quantidade total de car bono fixado disponível para a folha Entretanto a quan tidade de carbono fixado disponível para translocação depende dos eventos metabólicos subsequentes Neste capítulo a regulação da distribuição do carbono fixado em várias rotas metabólicas é denominada alocação Os feixes vasculares de uma planta formam um sistema de tubos que podem direcionar o fluxo dos fotossintatos para vários tecidosdreno folhas jovens caules raízes frutos ou sementes No entanto o sistema vascular com frequência é altamente interconectado formando uma rede aberta que permite a comunicação entre as folhasfonte e os múltiplos drenos Sob essas condições o que determina o volume de fluxo para determinado dreno Neste capítulo a distribuição diferencial dos fotossintatos na planta é chamada de parti ção Os termos alocação e partição algumas vezes são usados alternadamente nas publicações recentes Após uma visão geral sobre alocação e partição será examinada a coordenação da síntese do amido e da sacarose Observe nesta seção que um número limitado de espécies tem sido estudado principalmente aquelas que fazem o car regamento ativo de sacarose a partir do apoplasto É provável que o mecanismo de carregamento do floema afete a regu lação da alocação de modo que estudos nessa área deverão ser estendidos a uma gama maior de espécies Para concluir será discutido como os drenos competem como a demanda do dreno pode regular a taxa fotossintética na folhafonte e como as fontes e os drenos se comunicam entre si A alocação inclui reserva utilização e transporte O carbono fixado em uma célulafonte pode ser usado para armazenamento metabolismo e transporte Síntese dos compostos de reserva O amido é sintetizado e armazenado nos cloroplastos e na maioria das es pécies é a principal forma de reserva mobilizada para translocação durante a noite As plantas que armaze nam carbono principalmente em forma de amido são chamadas de armazenadoras de amido Utilização metabólica O carbono fixado pode ser utili zado em vários compartimentos da célula fotossinte tizante para satisfazer as demandas energéticas da cé lula ou fornecer esqueletos de carbono para a síntese de outros compostos necessários à célula Síntese dos compostos transportados O carbono fixado pode ser incorporado em açúcares de transporte para exportação a diferentes tecidosdreno Uma parte do açúcar de transporte pode também ser estocada tem porariamente no vacúolo A alocação é também um processochave nos tecidos dreno Uma vez descarregados nas célulasdreno os açú cares de transporte podem permanecer como tal ou po dem ser transformados em vários outros compostos Nos drenos de reserva o carbono fixado pode ser acumulado como sacarose ou hexose nos vacúolos ou como amido nos amiloplastos Nos drenos em crescimento os açúcares po dem ser utilizados para a respiração e para a síntese de outras moléculas necessárias ao crescimento Partição dos açúcares de transporte entre vários drenos Os drenos competem pelos fotossintatos que estão sen do exportados pelas fontes Essa competição determina a distribuição de açúcares de transporte entre os vários tecidosdreno da planta partição pelo menos em curto prazo A alocação de açúcar no dreno armazenamento ou metabolismo afeta sua capacidade de competir pelos açúcares disponíveis Dessa maneira há interação entre os processos de partição e de alocação Evidentemente os eventos nas fontes e nos drenos de vem ser sincronizados O processo de partição determina os padrões de crescimento e o crescimento deve ser equi librado entre a parte aérea produtividade fotossintética e a raiz absorção de água e minerais de tal modo que a planta pode responder aos desafios de um ambiente variável O ob jetivo não é uma razão constante raizparte aérea mas uma razão que assegure um suprimento de carbono e nutrientes minerais apropriado para as necessidades da planta Assim existe um nível adicional de controle na intera ção entre as áreas de suprimento e de demanda A pressão de turgor nos elementos crivados poderia ser um meio impor tante de comunicação entre as fontes e os drenos atuando na coordenação das taxas de carregamento e descarrega mento Os mensageiros químicos também são importantes na sinalização do estado de um órgão para o outro na planta Esses mensageiros químicos incluem os hormônios vegetais e nutrientes como o potássio e o fosfato bem como os pró prios açúcares transportados Descobertas recentes sugerem que as macromoléculas RNA e proteínas também podem atuar na partição de fotossintatos talvez influenciando o transporte através dos plasmodesmos A conquista de produtividades mais altas de plantas cultivadas é uma meta da pesquisa de alocação e partição dos fotossintatos Enquanto os grãos e os frutos são exem plos de produção comestível a produção total inclui partes não comestíveis da parte aérea O índice de produção a proporção de rendimento econômico grão comestível em relação à biomassa total da parte aérea tem aumentado ao longo dos anos em grande parte devido aos esforços de especialistas em melhoramento vegetal Um dos obje tivos da fisiologia vegetal moderna é aumentar ainda mais a produtividade com base em uma compreensão funda mental do metabolismo do desenvolvimento e no presen te contexto da partição Contudo os processos de alocação e de partição na planta devem ser coordenados integralmente de tal modo que o aumento do transporte para os tecidos comestíveis não ocorra à custa de outros processos e estruturas essen ciais A produtividade de plantas cultivadas também pode Taiz11indd 309 Taiz11indd 309 27102016 144727 27102016 144727 310 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ser aumentada se os fotossintatos normalmente perdi dos pela planta forem mantidos Por exemplo as perdas decorrentes da respiração não essencial ou da exsudação pelas raízes poderiam ser reduzidas Nesse último caso devese tomar cuidado para não interromper processos essenciais externos à planta como o crescimento de es pécies microbianas benéficas na região adjacente à raiz as quais obtêm nutrientes a partir dos exsudados da raiz As folhasfonte regulam a alocação Os aumentos na taxa de fotossíntese nas folhasfonte ge ralmente resultam em aumento na taxa de translocação a partir da fonte Os pontos de controle para alocação de fo tossintatos Figura 1122 incluem a distribuição de trioses fosfato para os seguintes processos Regeneração de intermediários do ciclo fotossintético C3 de redução do carbono o ciclo de CalvinBenson ver Capítulo 8 Síntese de amido Síntese de sacarose bem como distribuição da saca rose entre os pools de transporte e de armazenamento temporário Várias enzimas atuam nas rotas que processam os fotossintatos e o controle dessas etapas é complexo A pesquisa descrita a seguir foi centrada em espécies que carregam sacarose ativamente a partir do apoplasto espe cificamente durante o dia Estudos adicionais serão neces sários para aumentar nosso conhecimento em plantas que utilizam outras estratégias de carregamento bem como na regulação da alocação nessas espécies Durante o dia a taxa de síntese de amido nos cloro plastos deve ser coordenada com a síntese de sacarose no citosol As trioses fosfato gliceraldeído3fosfato e dihi droxiacetona fosfato produzidas no cloroplasto pelo ciclo de CalvinBenson ver Capítulo 8 podem ser usadas tan to na síntese de amido ou sacarose quanto na respiração A síntese de sacarose no citoplasma desvia a triose fosfato da síntese e da reserva do amido Por exemplo tem sido demonstrado que quando a demanda de sacarose por ou tras partes de uma planta de soja é alta menos carbono é armazenado como amido pelas folhasfonte As enzimas chave envolvidas na regulação da síntese de sacarose no citoplasma e na síntese de amido no cloroplasto são a sa carose fosfato sintase e a frutose16bifosfatase no cito plasma e a ADPglicose pirofosforilase no cloroplasto ver Figura 1122 e Capítulo 8 Entretanto há um limite na quantidade de carbono que em geral pode ser desviada da síntese de amido em espé cies que estocam o carbono principalmente na forma desse polissacarídeo Os estudos sobre alocação do amido e da sa carose sob diferentes condições sugerem que uma taxa rela tivamente estável de translocação durante um período de 24 horas é prioridade da maioria das plantas Ver Tópico 119 na internet para discussão complementar sobre o equilíbrio entre a síntese de amido e de sacarose nas folhasfonte Os tecidosdreno competem pelos fotossintatos translocados disponíveis Como discutido anteriormente a translocação para os teci dosdreno depende da posição do dreno em relação à fonte e das conexões vasculares entre a fonte e o dreno Outro fator determinante do padrão de transporte é a competição entre os drenos como entre os drenos terminais ou entre estes e os drenos axiais ao longo da rota de transporte Fo lhas jovens por exemplo podem competir com raízes pelos fotossintatos na corrente da translocação Essa competição tem sido demonstrada em numerosos experimentos em que a remoção de um tecidodreno de uma planta geral mente resulta em aumento da translocação para drenos alternativos e por conseguinte competitivos Inversamen te o tamanho aumentado do dreno como por exemplo o carregamento aumentado para o fruto diminui a translo cação para outros drenos especialmente as raízes Em um tipo inverso de experimento o suprimento das fontes pode ser alterado enquanto os tecidosdreno perma necem intactos Quando o suprimento de fotossintatos das fontes para drenos competidores é repentino e drasticamen Membrana interna do cloroplasto Sistema antiporte translocador de fosfato Frutose16 bifosfato Frutose6 fosfato Transporte ESTROMA DO CLOROPLASTO CITOSOL Intermediários do ciclo de CalvinBenson CO2 Triose fosfato Triose fosfato ADPG Reserva Amido Reserva Sacarose Sacarose fosfato UDPG 1 3 2 Pi Pi Pi Figura 1122 Esquema simplificado para a síntese de amido e sacarose durante o dia A triose fosfato formada no ciclo de Calvin Benson pode ser utilizada na formação de amido no cloroplasto ou transportada para o citosol em troca de fosfato inorgânico Pi via translocador de fosfato na membrana interna do cloroplasto A membrana externa do cloroplasto omitida aqui para simplificar o esquema é permeável a moléculas pequenas No citosol a triose fosfato pode ser convertida em sacarose para sua armazenagem no vacúolo ou para transporte ou ainda para ser degradada via glicólise As enzimaschave que estão envolvidas são a amido sinte tase 1 a frutose16bifosfatase 2 e a sacarose fosfato sintase 3 A segunda e a terceira enzimas em conjunto com a ADPglicose pi rofosforilase a qual forma a glicose adenosina difosfato ADPG de adenosine diphosphate glucose são enzimas reguladas na síntese de amido e sacarose ver Capítulo 8 UDPG glicose uridina difosfa to uridine diphosphate glucose De Preiss 1982 Taiz11indd 310 Taiz11indd 310 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 311 te reduzido por sombreamento de todas as folhas com ex ceção de uma os tecidosdreno tornamse dependentes de uma única fonte Na beterraba e no feijoeiro as taxas de fo tossíntese e de exportação a partir de uma única folhafonte remanescente não sofrem alterações em curto prazo cerca de 8 horas Entretanto as raízes recebem menos açúcar de uma única fonte enquanto as folhas jovens recebem relati vamente mais Nesse sentido o sombreamento diminui a partição para as raízes Presumivelmente as folhas jovens podem exaurir o conteúdo de açúcar dos elementos criva dos de modo mais rápido e assim aumentar o gradiente de pressão e a taxa de translocação em sua própria direção Os tratamentos que tornam o potencial hídrico do dre no mais negativo aumentam o gradiente de pressão e pro movem o transporte para o dreno O tratamento de extremi dades de raízes de plântulas de ervilha Pisum sativum com soluções de manitol aumenta em pouco tempo a importa ção de sacarose em mais de 300 possivelmente devido ao decréscimo de turgor nas célulasdreno Experimentos de longo prazo mostraram a mesma tendência O estresse hí drico moderado nas raízes induzido por tratamento como polietilenoglicol aumentou a proporção de assimilados transportados para as raízes de macieiras por um período de 15 dias No entanto houve uma diminuição na propor ção transportada para o ápice caulinar Isso contrasta com o tratamento de sombra acima no qual a limitação da fonte desvia mais açúcar para as folhas jovens A intensidade do dreno depende de seu tamanho e atividade A capacidade do dreno de mobilizar fotossintatos em sua direção frequentemente é descrita como intensidade do dreno a qual depende de dois fatores o tamanho e a atividade do dreno como indicado a seguir Intensidade do dreno tamanho do dreno atividade do dreno O tamanho do dreno é a biomassa total do tecidodreno e a atividade do dreno é a taxa de absorção de fotossin tatos por unidade de biomassa do tecidodreno A alte ração do tamanho ou da atividade do dreno resulta em mudanças nos padrões de translocação Por exemplo a capacidade de uma vagem de ervilha de importar carbono depende da massa seca daquela vagem como uma propor ção do número total de vagens As mudanças na atividade do dreno podem ser com plexas pois várias atividades nos tecidosdreno podem limitar potencialmente a taxa de absorção por ele Essas atividades incluem o descarregamento dos elementos cri vados o metabolismo na parede celular a absorção a par tir do apoplasto e os processos metabólicos que utilizam os fotossintatos no crescimento ou no armazenamento Os tratamentos experimentais para manipular a in tensidade do dreno são com frequência não específicos Por exemplo o resfriamento de um tecidodreno que ini ba as atividades que necessitam de energia metabólica em geral resulta na diminuição da velocidade do transporte em direção ao dreno Experimentos mais recentes utilizam o conhecimento para superexpressar ou subexpressar en zimas específicas relacionadas à atividade do dreno como aquelas envolvidas no metabolismo da sacarose nesses te cidos As duas enzimas principais que clivam a sacarose são a invertase ácida e a sacarose sintase ambas com ca pacidade de catalisar a primeira etapa da utilização de sa carose O Tópico 1110 na internet discute a evidência da relação entre a atividade das enzimas de clivagem da sa carose especialmente a invertase e a demanda do dreno A fonte ajustase às alterações de longo prazo na razão fontedreno Se em uma planta de soja onde as folhas foram sombrea das uma única folha permanecer descoberta por um lon go período p ex oito dias muitas mudanças ocorrerão na folhafonte remanescente Tais mudanças incluem o decréscimo na concentração de amido e o aumento na taxa fotossintética na atividade da rubisco na concentração de sacarose no transporte a partir da fonte e na concentração de ortofosfato Assim além das alterações observadas em curto prazo na distribuição de fotossintatos entre os dife rentes drenos o metabolismo da fonte ajustase às condi ções alteradas em um prazo mais longo A taxa fotossintética a quantidade líquida de carbono fixado por unidade de área foliar por unidade de tempo muitas vezes aumenta por vários dias quando aumenta a demanda do tecidodreno e decresce quando diminui a demanda desse tecido Uma acumulação de fotossintatos sacarose ou hexoses na folhafonte pode ser responsável pela ligação entre a demanda do dreno e a taxa fotossinté tica nas plantas com armazenamento de amido ver Tópi co 1111 na internet Os açúcares agem como moléculas sinalizadoras que regulam muitos processos metabólicos e de desenvolvimento nos vegetais Em geral a depleção de carboidratos aumenta a expressão de genes para fotos síntese mobilização de reservas e processos de exportação enquanto o suprimento abundante de carbono promove a expressão de genes de armazenamento e utilização A sacarose ou as hexoses que seriam acumuladas como um resultado do decréscimo da demanda dos drenos repri mem a expressão dos genes fotossintéticos Curiosamente os genes que codificam a invertase e a sacarose sintase que podem catalisar a primeira etapa na utilização da sacarose e os genes para os transportadores de sacaroseH do tipo simporte que desempenham um papelchave no carrega mento apoplástico também estão entre aqueles regulados pelo suprimento de carboidratos Essa regulação da fotossíntese pela demanda do dre no sugere que aumentos contínuos na fotossíntese em resposta a concentrações elevadas de CO2 na atmosfera podem depender do aumento na intensidade do dreno aumentando a intensidade do dreno existente ou criando novos drenos Ver Capítulo 9 para discussão dos efeitos do aumento dos níveis de CO2 atmosférico na fotossíntese e o crescimento de plantas Taiz11indd 311 Taiz11indd 311 27102016 144727 27102016 144727 312 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Transporte de moléculas sinalizadoras Além de possuir como função principal o transporte de fo tossintatos em longas distâncias o floema é uma das vias de transporte para moléculas sinalizadoras de uma parte para outra do vegetal Esses sinais de longa distância co ordenam a atividade de fontes e drenos e regulam o cres cimento e o desenvolvimento da planta Como indicado anteriormente os sinais entre as fontes e os drenos podem ser físicos ou químicos Os sinais físicos como a mudan ça de turgor são transmitidos rapidamente por meio do sistema interconectado dos elementos crivados Molécu las consideradas tradicionalmente como sinais químicos como as proteínas e os hormônios vegetais são encontra das na seiva do floema bem como mRNAs e pequenos RNAs os quais recentemente foram incluídos na lista de moléculas sinalizadoras Os carboidratos translocados também podem atuar como sinais A pressão de turgor e os sinais químicos coordenam as atividades das fontes e dos drenos A pressão de turgor pode exercer um papel na coordena ção das atividades das fontes e dos drenos Por exemplo se o descarregamento do floema fosse rápido sob condições de utilização rápida de açúcar no tecidodreno as pres sões de turgor nos elementos crivados dos drenos seriam reduzidas e essa redução seria transmitida às fontes Se o carregamento fosse controlado em parte pelo turgor dos elementos crivados haveria um aumento no carregamento em resposta a este sinal dos drenos A resposta contrária seria observada quando o descarregamento fosse lento nos drenos O carregamento de açúcares de reservas em células ao longo da rota axial também responde às altera ções na demanda de soluto Alguns dados sugerem que o turgor celular pode modificar a atividade da ATPase bom beadora de prótons na membrana plasmática e portanto alterar as taxas de transporte As partes aéreas produzem reguladores de crescimen to como auxina a qual pode ser rapidamente transportada para as raízes pelo floema as raízes por sua vez produ zem citocininas que se movem para a parte aérea através do xilema As giberelinas GAs e o ácido abscísico ABA também são transportados por toda a planta no sistema vascular Os hormônios vegetais desempenham um papel importante na regulação das relações fontedreno Eles afetam a partição dos fotossintatos ao controlarem o cres cimento do dreno a senescência foliar e outros processos do desenvolvimento As respostas de defesa das plantas contra herbívoros e patógenos também podem alterar a alocação e a partição de fotoassimilados com hormônios de defesa como o ácido jasmônico mediando as respostas O carregamento da sacarose é estimulado por auxina exógena mas inibido pelo ABA em alguns tecidosfonte enquanto o ABA exógeno intensifica e a auxina inibe a absorção de sacarose por alguns tecidosdreno Os hor mônios poderiam regular o carregamento e o descarrega mento apoplástico influenciando os níveis de proteínas transportadoras na membrana plasmática Outros sítios potenciais da regulação hormonal do descarregamento in cluem os transportadores do tonoplasto as enzimas para o metabolismo da sacarose absorvida a extensibilidade da parede celular e a permeabilidade dos plasmodesmos no caso do descarregamento simplástico ver próxima seção Como indicado anteriormente os níveis de carboidra tos podem influenciar a expressão de genes que codificam componentes da fotossíntese assim como genes envolvi dos na hidrólise da sacarose Muitos genes têm sido ca racterizados como apresentando resposta à depleção e à abundância de açúcar Portanto a sacarose não é apenas transportada no floema esse carboidrato ou seus metabó litos podem atuar como sinais que modificam as ativida des das fontes e dos drenos Por exemplo na beterraba o mRNA do transportador de sacaroseH do tipo simporte diminui nas folhasfonte supridas com sacarose exóge na pelo xilema O declínio do mRNA do transportador é acompanhado por uma perda da atividade do transpor tador nas vesículas da membrana plasmática isoladas das folhas Um modelo funcional inclui as seguintes etapas 1 A diminuição da demanda do dreno leva a altos níveis de sacarose no sistema vascular 2 Níveis altos de sacarose levam a uma diminuição do transportador na fonte 3 A diminuição do carregamento resulta em aumento da concentração de sacarose na fonte O aumento das concentrações de sacarose na fonte pode resultar em taxa fotossintética menor ver Tópico 1111 na internet O aumento na acumulação de amido nas folhasfonte de plantas transformadas com DNA an tissenso para o transportador de sacaroseH do tipo sim porte SUT1 também apoia esse modelo Os açúcares e outros metabólitos parecem interagir com sinais hormonais para o controle e a integração de muitos processos nos vegetais A expressão gênica em al guns sistemas fontedreno responde tanto a sinais hormo nais quanto a açúcares Proteínas e RNAs atuam como moléculas sinalizadoras no floema para regular o crescimento e o desenvolvimento vegetal Sabese há muito tempo que os vírus podem se mover no floema deslocandose como complexos de proteínas e ácidos nucleicos ou como partículas virais intactas Recen temente moléculas endógenas de RNA e proteínas foram encontradas na seiva do floema e algumas delas podem atuar como moléculas sinalizadoras ou gerar sinais mó veis no floema Para ser considerada como um sinalizador vegetal a macromolécula deve preencher alguns critérios A macromolécula deve moverse da fonte ao dreno pelo floema A macromolécula deve ser capaz de sair do complexo elemento crivadocélula companheira nos tecidos Taiz11indd 312 Taiz11indd 312 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 313 dreno De forma alternativa ela deve desencadear a formação de um sinal secundário que transmite a in formação para os tecidosfonte adjacentes ao floema ou seja deve iniciar uma cascata de sinal Talvez o mais importante a macromolécula deve ser capaz de modificar as funções de células específicas no dreno O quanto as várias moléculas presentes no floema preen chem esses critérios Pelo menos algumas proteínas sintetizadas nas célu las companheiras podem entrar nos elementos crivados pelos plasmodesmos que conectam os dois tipos celulares e se mover pela corrente de translocação para os tecidos dreno Por exemplo o movimento passivo de proteínas das células companheiras para os elementos crivados foi demonstrado em plantas de Arabidopsis e de tabaco trans formadas com o gene da proteína verde fluorescente GFP green fluorescent protein de águaviva sob o controle do promotor SUC2 de Arabidopsis O transportador de saca roseH SUC2 do tipo simporte é sintetizado nas células companheiras de modo que as proteínas expressas sob o controle do promotor desse gene também são sintetizadas nessas células incluindo a GFP A GFP que é localiza da por sua fluorescência após a excitação com a luz azul movese pelos plasmodesmos das células companheiras para os elementos crivados de folhasfonte Figura 1123A e migra pelo floema até os tecidosdreno como fazem as proteínas maiores fusionadas à GFP No entanto somente a GFP livre é capaz de se mover pela via simplástica para os tecidosdreno da raiz Figura 1123B De fato existem poucas evidências de um movimento de proteínas a partir de células externas ao complexo elemento crivadocélula companheira para o floema da fonte ou de um movimento de proteínas do floema para os tecidosdreno externos ao complexo elemento crivadocélula companheira Entretan to o transporte pelo floema de proteínas que modificam funções celulares foi demonstrado sugerindo que algum sinal seja a própria proteína ou outra molécula sinaliza dora movese entre o complexo elemento crivadocélula companheira e as células adjacentes das fontes e dos dre nos Um exemplo clássico é a proteína FLOWERING LO CUS T FT que parece ser um componente importante no estímulo floral que se move da folhafonte ao ápice onde induz o florescimento em resposta a condições de indução ver Capítulo 20 A proteína FT parece se mover das célu las companheiras das folhasfonte onde é expressa para os elementos crivados das fontes provavelmente por difu são pelos plasmodesmos O movimento da proteína FT nos tecidos apicais também foi demonstrado e acreditase que ocorra por uma via seletiva Ver próxima seção Os RNAs transportados no floema consistem em mRNAs endógenos RNAs patogênicos e pequenos RNAs associados ao silenciamento gênico ver Capítulo 2 A maioria desses RNAs parece se deslocar no floema como complexos RNAproteína ribonucleoproteínas RNPs Assim como as proteínas no floema existe pouca evidên cia sobre o movimento desses RNAs entre o complexo ele mento crivadocélula companheira e os tecidos adjacen tes No entanto alguns mRNAs transportados no floema podem causar mudanças visíveis nos drenos após serem descarregados nos tecidosalvo Por exemplo o mRNA para um regulador das respostas ao ácido giberélico de nominado GAI foi localizado nos elementos crivados e nas células companheiras de abóbora Curcubita pepo e foi encontrado na seiva do floema dessa espécie Indivíduos transgênicos de tabaco expressando uma versão mutante do gene regulador apresentaram fenótipo anão e colo ração verdeescura O mRNA para o regulador mutante foi localizado nos elementos crivados e foi capaz de mo verse pelas junções do portaenxerto até o enxerto tipo selvagem sendo descarregado nos tecidos apicais Como consequência o fenótipo mutante foi observado no novo crescimento do enxerto selvagem Somente poucos mRNAs específicos parecem ser transportados por longas distâncias no floema Motivos nas sequências codificadoras e nas regiões não traduzidas do RNA desempenham função importante no movimento de longa distância do RNA GAI Resultados semelhantes 01 mm 2 mm A B Figura 1123 A fluorescência da GFP em folhafonte e folha dreno em indivíduos transgênicos de Arabidopsis expressando a GFP sob controle do promotor SUC2 indica que ela se move pelos plasmodesmos a partir das células companheiras para os elementos crivados das folhasfonte e a partir dos elementos crivados para o mesofilo adjacente das folhasdreno A A GFP é sintetizada nas células companheiras e se desloca para os elementos crivados da fonte conforme indicado pela fluorescência brilhante nas nervuras B A GFP livre é importada pela folhadreno e se desloca para o mesofilo adjacente Uma vez que a GFP se desloca para os teci dos circundantes as nervuras não ficam nitidamente delineadas e a fluorescência da GFP é muito mais difusa Embora a folhafonte em A pareça ter o mesmo tamanho da folhadreno em B a folha fonte é de fato muito maior Observe que as escalas em A e B são diferentes De Stadler et al 2005 Taiz11indd 313 Taiz11indd 313 27102016 144727 27102016 144727 314 Unidade II Bioquímica e Metabolismo foram obtidos para mRNA do fator de transcrição BEL5 em batata Solanum tuberosum Os transcritos BEL5 for mados nas folhas movemse no floema através das jun ções do portaenxerto aos ápices dos estolões no local da indução do tubérculo e o movimento está relacionado ao aumento da produção de tubérculos O acúmulo preferen cial de mRNA ocorre quando além das regiões codifica doras estão presentes regiões não traduzidas Ver Tópico 1112 na internet para discussão adicional sobre esses tópicos Plasmodesmos atuam na sinalização do floema Os plasmodesmos têm sido relacionados a praticamente todos os aspectos da translocação no floema do carrega mento e do transporte de longa distância os poros nas áreas crivadas e nas placas crivadas são plasmodesmos modificados à alocação e à partição Que função os plas modesmos exercem na sinalização macromolecular no floema O mecanismo de transporte pelos plasmodesmos denominado tráfego pode ser passivo sem destino ou seletivo e regulado Quando uma molécula se move pas sivamente seu tamanho deve ser menor que o limite de exclusão por tamanho SEL size exclusion limit do plas modesmo Como indicado anteriormente a GFP move se passivamente pelos plasmodesmos Por outro lado quando uma molécula se move de forma seletiva ela deve possuir um sinal de tráfego ou ser destinada de outra ma neira para o plasmodesmo O transporte de alguns fatores de transcrição e de proteínas de movimento viral parece ocorrer por meio de mecanismos seletivos As proteínas de movimento viral interagem diretamente com os plas modesmos para permitir a passagem dos ácidos nuclei cos virais entre as células Uma vez nos plasmodesmos as proteínas de movimento atuam para aumentar o SEL dos plasmodesmos permitindo a passagem do genoma viral entre as células Acreditase que as proteínas endó genas desempenhem funções similares às proteínas FT e às proteínas P ver Tópico 1112 na internet Também é necessária a interação com os componentes junto aos ou dentro dos plasmodesmos como as chaperonas É adequado finalizar este capítulo com tópicos de pes quisas que continuarão a desafiar fisiologistas vegetais no futuro a regulação do crescimento e do desenvolvimen to pelo transporte de RNA endógeno e proteínas sinali zadoras a natureza das proteínas que facilitam o trans porte dos sinais pelos plasmodesmos e a possibilidade de direcionar os sinais para drenos específicos em contraste com o fluxo de massa Muitas outras áreas potenciais de questionamentos foram indicadas neste capítulo como o mecanismo de transporte no floema de gimnospermas a natureza e a função de proteínas no lume dos elementos crivados e a magnitude dos gradientes de pressão nos ele mentos crivados especialmente em árvores Como sempre ocorre na ciência a resposta a uma pergunta gera muitas outras perguntas RESUMO A translocação no floema move os produtos da fotossíntese de folhas maduras para as áreas de crescimento e armazenagem O floema também transporta sinais químicos e redistribui íons e ou tras substâncias pelo corpo da planta Rotas de translocação Os elementos crivados floema conduzem açúcares e outros compostos orgânicos pela planta Figuras 111113 Durante o desenvolvimento os elementos crivados perdem muitas organelas mantendo somente a membrana plasmática as mitocôndrias e os plastídios modificados além do REL Figu ras 113 114 Os elementos crivados são interconectados por poros presentes em suas paredes celulares Figura 115 Em gimnospermas o REL recobre as áreas crivadas e é contínuo através dos poros crivados e a cavidade mediana Figura 116 Tabela 111 As proteínas P e a calose vedam o floema danificado limitando a perda de seiva As células companheiras auxiliam no transporte dos produtos fotossintéticos para os elementos crivados Elas também for necem proteínas e ATP aos elementos crivados Figuras 113 115 117 Padrões de translocação fontedreno A translocação no floema não é definida pela gravidade A sei va é translocada das fontes para os drenos e as rotas envolvidas muitas vezes são complexas Figura 118 Materiais translocados no floema A composição da seiva foi determinada os açúcares não redu tores são as principais moléculas transportadas Tabela 112 Figura 119 A seiva inclui proteínas muitas das quais podem ter funções relacionadas com reações ao estresse e de defesa Taxa de movimento As velocidades de transporte no floema são elevadas e exce dem muito a taxa de difusão em longa distância Modelo de fluxo de pressão um mecanismo passivo para a translocação no floema O modelo de fluxo de pressão explica a translocação no floema como um fluxo de massa de solução acionado por um gradien te de pressão gerado osmoticamente entre a fonte e o dreno Taiz11indd 314 Taiz11indd 314 27102016 144727 27102016 144727 Capítulo 11 Translocação no Floema 315 O carregamento do floema na fonte e o descarregamento do floema no dreno estabelecem o gradiente de pressão para o fluxo de massa passivo e de longa distância Figura 1110 Os gradientes de pressão nos elementos crivados podem ser moderados as pressões em plantas herbáceas e árvores pare cem ser semelhantes Modelos alternativos para a translocação de fluxo de massa estão sendo desenvolvidos Carregamento do floema A exportação de açúcares a partir das fontes envolve alocação de fotossintatos para o transporte transporte de curta distância e carregamento do floema O carregamento do floema pode ocorrer pelas rotas simplástica ou apoplástica Figura 1114 A sacarose é ativamente transportada para o complexo elemen to crivadocélula companheira na rota apoplástica Figuras 1115 1116 O modelo de aprisionamento de polímeros retém os polímeros que são sintetizados a partir da sacarose nas células interme diárias os oligossacarídeos maiores podem difundirse somente para os elementos crivados Figura 1117 As rotas de carregamento apoplástico e simplástico do floema apresentam características definidas Tabela 113 Descarregamento do floema e transição drenofonte A importação de açúcares nas célulasdreno envolve descarre gamento do floema transporte de curta distância e armazena mentometabolismo O descarregamento do floema e o transporte de curta distância podem ocorrer pelas rotas simplástica ou apoplástica em dre nos diferentes Figura 1118 O transporte para os tecidosdreno depende de energia A interrupção da importação e o início da exportação são even tos separados e há uma transição gradual de dreno para fonte Figuras 1119 1120 A transição de dreno para fonte requer algumas condições in cluindo a expressão e a localização do transportador de sacaro seH do tipo simporte Figura 1121 Distribuição dos fotossintatos alocação e partição A alocação nas folhasfonte inclui a síntese de compostos de armazenamento a utilização metabólica e a síntese de com postos para transporte A regulação da alocação deve controlar a distribuição do car bono fixado no ciclo de CalvinBenson a síntese de amido a síntese de sacarose e a respiração Figura 1122 Diversos sinais químicos e físicos estão envolvidos na partição de recursos entre os vários drenos Na competição por fotossintatos a intensidade do dreno de pende do seu tamanho e da sua atividade Em resposta a condições alteradas mudanças de curto prazo alteram a distribuição de fotossintatos entre diferentes drenos enquanto mudanças de longo prazo ocorrem no metabolismo da fonte e alteram a quantidade de fotossintatos disponíveis para transporte Transporte de moléculas sinalizadoras A pressão de turgor as citocininas as giberelinas e o ácido abs císico têm funções sinalizadoras na coordenação das atividades das fontes e dos drenos Algumas proteínas podem se mover das células companhei ras para os elementos crivados de folhasfonte e através do floema para folhasdreno Figura 1123 As proteínas e os RNAs transportados no floema podem alterar as funções celulares Mudanças no limite de exclusão por tamanho SEL podem con trolar o que passa pelos plasmodesmos MATERIAL DA INTERNET Tópico 111 Elementos crivados como células de trans porte entre fontes e drenos Vários métodos demonstram que o açúcar é transportado nos elementos crivados floema fatores anatômicos e de desenvolvimento afetam o padrão bá sico de transporte fontedreno Tópico 112 Um mecanismo adicional para bloquear elementos crivados danificados na família das legumi nosas Corpos de proteína P rapidamente se dispersam e blo queiam os tubos crivados de leguminosas após o ferimento Tópico 113 Amostra da seiva do floema Exsudação a par tir de ferimentos e de estiletes excisados de afídeos libera seiva do floema suficiente para análise Tópico 114 Transporte de nitrogênio no floema A soja é uma espécie de importância econômica amplamente utilizada para estudar o transporte de nitrogênio no floema Tópico 115 Monitoramento do trânsito na autoestrada de açúcar taxas de transporte de açúcar no floema Várias técnicas medem a taxa de transferência de massa no floema a massa seca em movimento por um corte transversal do elemen to crivado por unidade de tempo Tópico 116 Modelos alternativos para o fluxo de mas sa Alguns modelos matemáticos sugerem que o gradiente de pressão nos elementos crivados é pequeno Tópico 117 Experimentos sobre o carregamento do floema Existem evidências para o carregamento apoplástico Taiz11indd 315 Taiz11indd 315 27102016 144727 27102016 144727 12 A fotossíntese fornece as unidades orgânicas básicas das quais de pendem as plantas e quase todos os outros organismos Com seu metabolismo de carbono associado a respiração libera de maneira contro lada a energia armazenada nos compostos de carbono para uso celular Ao mesmo tempo ela gera muitos precursores de carbono para a biossíntese Este capítulo inicia revisando a respiração em seu contexto metabólico enfatizando as conexões entre os processos envolvidos e as características especiais peculiares às plantas A respiração será também relacionada aos recentes desenvolvimentos na compreensão da bioquímica e da biologia molecular das mitocôndrias vegetais e dos fluxos respiratórios em tecidos de plantas intactas Em seguida são descritas as rotas da biossíntese de lipídeos que levam à acumulação de gorduras e óleos usados para a arma zenagem de energia e carbono por muitas espécies vegetais A síntese de lipídeos e sua influência sobre as propriedades das membranas também são examinadas Finalmente são discutidas as rotas catabólicas envolvidas na decomposição de lipídeos e na conversão de seus produtos da degradação em açúcares que ocorre durante a germinação de sementes oleaginosas Visão geral da respiração vegetal A respiração aeróbica que exige oxigênio é comum a quase todos os orga nismos eucarióticos e em linhas gerais o processo respiratório em plantas é similar àquele encontrado em animais e outros eucariotos aeróbicos No entanto alguns aspectos específicos da respiração vegetal distinguemna de seu equivalente animal A respiração aeróbica é o processo biológico pelo qual compostos orgânicos reduzidos são oxidados em uma maneira controlada Durante a respiração a energia é liberada e armazenada tran sitoriamente em um composto trifosfato de adenosina ATP de adeno sine triphosphate que é usado pelas reações celulares para manutenção e desenvolvimento A glicose geralmente é citada como o substrato para a respiração Na maioria dos tipos de células vegetais entretanto o carbono reduzido é deri vado de fontes como o dissacarídeo sacarose outros açúcares ácidos orgâ nicos trioses fosfato da fotossíntese e metabólitos da degradação lipídica e proteica Figura 121 Respiração e Metabolismo de Lipídeos Taiz12indd 317 Taiz12indd 317 27102016 145441 27102016 145441 318 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Do ponto de vista químico a respiração vegetal pode ser expressa como a oxidação da molécula de 12 carbonos sacarose e a redução de 12 moléculas de O2 C12H22O11 13 H2O 12 CO2 48 H 48 e 12 O2 48 H 48 e 24 H2O resultando na seguinte reação líquida C12H22O11 12 O2 12 CO2 11 H2O Essa reação é o inverso do processo fotossintético ela re presenta uma reação redox acoplada na qual a sacarose é completamente oxidada a CO2 enquanto o oxigênio ser ve como aceptor final de elétrons sendo reduzido à água no processo A variação na energia livre de Gibbs padrão ΔG0 para a reação líquida é 5760 kJ por mol 342 g de sacarose oxidada Esse grande valor negativo significa que o ponto de equilíbrio é fortemente deslocado para a direita e muita energia é portanto liberada pela degrada ção da sacarose A liberação controlada dessa energia livre em conjunto com seu acoplamento à síntese de ATP é a principal função do metabolismo respiratório embora de maneira alguma a única Para impedir o dano por aquecimento de estrutu ras celulares a célula oxida a sacarose em uma série de reações graduais Essas reações podem ser agrupadas em quatro processos principais a glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa Essas rotas não funcionam isoladamente mas trocam metabólitos em vários níveis Os substratos para a respiração entram no processo respiratório em diferentes pontos das rotas conforme resumido na Figura 121 A glicólise envolve uma série de reações catalisadas por enzimas localizadas tanto no citosol quanto nos plastídios Um açúcar por exemplo a sacarose é parcialmente oxidado via açúcares fosfato de seis car bonos hexoses fosfato e açúcares fosfato de três car bonos trioses fosfato para produzir um ácido orgâ nico por exemplo piruvato O processo rende uma pequena quantidade de energia como ATP e exerce poder redutor sob a forma do nucleotídeo nicotinami da reduzido NADH Na rota oxidativa das pentoses fosfato também lo calizada tanto no citosol quanto nos plastídios a gli cose6fosfato de seis carbonos é inicialmente oxida da a ribulose5fosfato de cinco carbonos O carbono é perdido como CO2 e o poder redutor é conservado na forma de outro nucleotídeo nicotinamida reduzi do NADPH Nas reações subsequentes próximas ao equilíbrio da rota das pentoses fosfato a ribulose5 fosfato é convertida em açúcares de 3 a 7 carbonos Esses intermediários podem ser usados em rotas bios sintéticas ou reentrar na glicólise NADPH ATP ATP NADH NADH FADH2 NADPH Açúcares Amido Armazenagem transporte no floema CITOSOL PLASTÍDIO MITOCÔNDRIA HexoseP HexoseP TrioseP TrioseP Fotossíntese Ácidos orgânicos Rota das pentoses fosfato Glicólise Ciclo do ácido cítrico Fosforilação oxidativa Decomposição de lipídeos PentoseP CO2 CO2 O2 Rota das pentoses fosfato PentoseP CO2 Armazenagem Figura 121 Visão geral da respiração Os substratos para a respiração são gera dos por outros processos celulares e en tram nas rotas respiratórias As rotas da glicólise e oxidativa das pentoses fosfato no citosol e nos plastídios convertem açúcares em ácidos orgânicos como o piruvato via hexoses fosfato e trioses fosfato gerando NADH ou NADPH e ATP Os ácidos orgâni cos são oxidados no ciclo mitocondrial do ácido cítrico o NADH e o FADH2 produzi dos fornecem a energia para a síntese de ATP pela cadeia de transporte de elétrons e ATPsintase na fosforilação oxidativa Na gliconeogênese o carbono oriundo da de composição de lipídeos é degradado nos glioxissomos metabolizado no ciclo do áci do cítrico e após utilizado para sintetizar açúcares no citosol por glicólise reversa Taiz12indd 318 Taiz12indd 318 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 319 No ciclo do ácido cítrico piruvato é oxidado comple tamente a CO2 via oxidações graduais de ácidos orgâ nicos no compartimento mais interno da mitocôndria a matriz Esse processo mobiliza a maior quantidade de poder redutor 16 NADH 4 FADH2 por sacarose e uma pequena quantidade de energia ATP a partir da decomposição da sacarose Na fosforilação oxidativa os elétrons são transferi dos ao longo de uma cadeia de transporte de elétrons que consiste em uma série de complexos proteicos in seridos na mais interna das duas membranas mito condriais Esse sistema transfere elétrons do NADH e espécies relacionadas produzidos por glicólise rota oxidativa das pentoses fosfato e ciclo do ácido cítrico ao oxigênio Essa transferência de elétrons desprende uma grande quantidade de energia livre da qual boa parte é conservada por meio da síntese de ATP a par tir de ADP e Pi fosfato inorgânico e catalisada pela enzima ATPsintase Coletivamente as reações redox da cadeia de transporte de elétrons e a síntese de ATP são chamadas de fosforilação oxidativa Nicotinamida adenina dinucleotídeo NADNADH é um cofator orgânico coenzima associado a muitas en zimas que catalisam reações redox celulares NAD é a forma oxidada que sofre uma redução reversível envol vendo dois elétrons para produzir NADH Figura 122 O potencial de reduçãopadrão para o par redox NAD NADH é cerca de 320 mV Isso indica que o NADH é um redutor relativamente forte ie doador de elétrons que pode conservar a energia livre carregada pelos elétrons liberados durante as oxidações graduais da glicólise e do ciclo do ácido cítrico Um composto relacionado nicoti namida adenina dinucleotídeo fosfato NADPNADPH tem uma função similar na fotossíntese ver Capítulos 7 e 8 e na rota oxidativa das pentoses fosfato bem como participa do metabolismo mitocondrial Esses papéis serão discutidos mais adiante neste capítulo NAD NADP NADPH FAD FMN FADH2 FMNH2 A B H H P O OCH2 O H2CO O O O P O H O H H H HO H H H NH2 H H H CONH2 N N N N 2O3P O HO OH H H H N H H O H3C H3C N N N H H H H H CONH2 P O O H2CO O O O P O CH2 CH2 HCOH HCOH HCOH O H O H H HO H H H H NH2 2 e 2 H N N N N NH O H H H H O H3C CH2 HCOH H3C N N NH O 2 e H N N Figura 122 Estruturas e reações dos principais nucleotídeos carregadores de elétrons envolvidos na bioenergética respiratória A Redução do NADP a NADPH Um hidrogênio em vermelho no NAD é substituído por um grupo fosfato também em verme lho no NADP B Redução do FAD a FADH2 O FMN é idêntico à porção flavina do FAD e é mostrado na caixa tracejada As áreas sombreadas de azul mostram as porções das moléculas que estão envolvidas na reação redox Taiz12indd 319 Taiz12indd 319 27102016 145442 27102016 145442 320 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ATP ATP ATP CITOSOL CLOROPLASTO Amido Fotossíntese Trioses fosfato Frutose Glicose UDPglicose Frutose 6P Frutose16bifosfato Gliceraldeído3 fosfato 13bifosfoglicerato 3fosfoglicerato Dihidroxiacetona fosfato Glicose 6P Glicose 6P Glicose 1P UDP A Sacarose sintase Hexoquinase Hexose fosfato isomerase Fosfofrutoquinase dependente de PPi Hexose fosfato isomerase Triose fosfato isomerase Gliceraldeído3fosfato desidrogenase Fosfoglicerato quinase Piruvato quinase Lactato desidrogenase Piruvato descarboxilase Álcool desidrogenase Fosfoglicerato mutase Fosfofrutoquinase dependente de ATP Hexoquinase Invertase UDPglicose pirofosforilase PPi UTP NAD H2O CO2 2fosfoglicerato Fosfoenolpiruvato Oxaloacetato Malato Piruvato Lactato Etanol Reações de fermentação Acetaldeído Enolase HCO3 Malato desidrogenase Vacúolo MITOCÔNDRIA Fosfoglicomutase Aldolase Sacarose Glicólise ADP ADP ADP ATP ATP ADP ADP Trioses fosfato Hexoses fosfato NAD NAD NADH NADH NADH NAD NADH PEPcarboxilase Fase inicial da glicólise Substratos de diferentes fontes são canalizados em triose fosfato Para cada molécula de sacarose que é metabolizada quatro moléculas de triose fosfato são formadas O processo requer uma adição de até 4 ATPs Fase de conservação de energia da glicólise A triose fosfato é convertida a piruvato NAD é reduzido a NADH pela gliceraldeído3fosfato desidrogenase ATP é sintetizado nas reações catalisadas por fosfoglicerato quinase e piruvato quinase Um produto final alternativo fosfoenolpiruvato pode ser convertido a malato para oxidação mitocondrial ou armazenagem no vacúolo NADH pode ser reoxidado durante a fermentação tanto pela lactato desidrogenase como pela álcool desidrogenase Pi Pi Pi PPi Taiz12indd 320 Taiz12indd 320 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 321 A oxidação do NADH pelo oxigênio via cadeia de transporte de elétrons desprende energia livre 220 kJ mol1 que governa a síntese de cerca de 60 ATPs como será visto mais adiante Podese elaborar um quadro mais complexo da respiração relacionado ao seu papel no meta bolismo energético celular acoplando as duas reações que seguem C12H22O11 12 O2 12 CO2 11 H2O 60 ADP 60 Pi 60 ATP 60 H2O Deve ser lembrado que nem todo carbono que entra na rota respiratória termina como CO2 Muitos interme diários de carbono respiratórios são os pontos de parti da para rotas que sintetizam aminoácidos nucleotídeos lipídeos e muitos outros compostos Glicólise Nas etapas iniciais da glicólise das palavras gregas glykos açúcar e lysis quebra carboidratos são convertidos em hexosesfosfato cada uma das quais é então decomposta em duas trioses fosfato Em uma fase subsequente conser vadora de energia cada triose fosfato é oxidada e rearranja da produzindo uma molécula de piruvato um ácido orgâ nico Além de preparar o substrato para a oxidação no ciclo do ácido cítrico a glicólise produz uma pequena quantidade de energia química sob a forma de ATP e de NADH Quando o oxigênio molecular não está disponível por exemplo em raízes em solos alagados a glicólise pode ser a fonte principal de energia para as células Para essa tarefa as rotas fermentativas realizadas no citosol de vem reduzir o piruvato para reciclar o NADH produzido na glicólise Nesta seção são descritas as rotas glicolíticas e fermentativas básicas enfatizando as características que são específicas para as células vegetais Na seção seguinte será discutida a rota das pentoses fosfato outra rota em plantas para a oxidação de açúcares A glicólise metaboliza carboidratos de várias fontes A glicólise ocorre em todos os organismos vivos proca riotos e eucariotos As principais reações associadas à rota glicolítica clássica em plantas são quase idênticas àquelas em células animais Figura 123 No entanto a glicólise em plantas tem características reguladoras singulares ro tas enzimáticas alternativas para várias etapas e uma rota glicolítica parcial paralela em plastídios Em animais o substrato para a glicólise é a glicose e o produto final é o piruvato Visto que na maioria das plantas a sacarose é o principal açúcar translocado e portanto a forma de carbono que a maioria dos tecidos não fotossintéticos importa ela e não a glicose pode ser considerada como o verdadeiro substrato de açúcar para a respiração vegetal Os produtos finais da glicólise vegetal incluem outro ácido orgânico o malato Nas etapas iniciais da glicólise a sacarose é decompos ta em duas unidades de monossacarídeos glicose e fruto se que podem prontamente ingressar na rota glicolítica Duas rotas para a decomposição da glicose são conhecidas em plantas sendo que ambas participam na utilização da sacarose a partir do descarregamento do floema ver Ca pítulo 11 a rota da invertase e a rota da sacarose sintase As invertases hidrolisam a sacarose na parede celular no vacúolo ou no citosol em suas duas hexoses compo nentes glicose e frutose As hexoses são então fosfori ladas no citosol por uma hexoquinase que usa ATP para formar hexoses fosfato Alternativamente sacarose sintase combina a sacarose com UDP produzindo frutose e UDP glicose no citosol A UDPglicose pirofosforilase então Sacarose Glicose 6P B Frutose 6P Frutose16bifosfato Gliceraldeído3P 3Pglicerato 2Pglicerato Piruvato Lactato Acetaldeído Etanol Fosfoenolpiruvato DihidroxiacetonaP 13bifosfoglicerato O P P P P P C H O HCOH H2CO P C O O HCOH H2CO P C O O HCO H2COH P C O O CO H2C C O O C O C O CH3 C O O HCOH CH3 H CH3 CH2OH CH3 P P CO O HCOH H2CO P C O H2COH H2CO O CH2OH CH2OH OH H H H H OH OH HO HO H H OH2C OH H OH OH HO O HOCH2 CH2OH OH OH OH2C HO CH2O OH OH OH2C H H H H H H H HO H O O O Figura 123 Reações da glicólise e da fermentação vegetais A Na rota glicolítica principal a sacarose é oxidada via hexoses fosfato e trioses fosfato ao ácido orgânico piruvato mas as plantas também realizam reações alternativas Todas as enzimas incluídas nesta figu ra foram medidas em níveis suficientes para sustentar as taxas de respiração observadas em tecidos intactos e os fluxos pela rota fo ram observados in vivo As setas duplas indicam reações reversíveis as setas simples reações essencialmente irreversíveis B Estruturas de intermediários de carbono P grupo fosfato Taiz12indd 321 Taiz12indd 321 27102016 145442 27102016 145442 322 Unidade II Bioquímica e Metabolismo converte UDPglicose e pirofostafo PPi em UTP e glico se6fosfato ver Figura 123 Enquanto a reação da saca rose sintase é próxima ao equilíbrio a reação da invertase é essencialmente irreversível dirigindo o fluxo adiante Por meio de estudos de plantas transgênicas caren tes de invertases específicas ou sacarose sintase foi cons tatado que cada enzima é essencial para processos vitais específicos mas diferenças são observadas entre tecidos e espécies vegetais Por exemplo a sacarose sintase e a invertase da parede celular são necessárias para o desen volvimento normal do fruto em várias espécies cultivadas enquanto a degradação citosólica da sacarose pela inverta se é necessária para a integridade ótima da parede celular de células da raiz e a respiração foliar em Arabidopsis tha liana Tanto a sacarose sintase e quanto a invertase podem degradar sacarose na glicólise e se uma das enzimas não está presente por exemplo em um mutante as outras enzimas podem ainda manter a respiração A existên cia de rotas diferentes que servem a uma função similar e podem portanto substituirse mutuamente sem uma clara perda de função é chamada de redundância meta bólica ela é uma característica comum no metabolismo vegetal Em plastídios ocorre uma glicólise parcial que produz metabólitos para reações biossintéticas plastidiais por exemplo a síntese de ácidos graxos tetrapirróis e ami noácidos aromáticos O amido é sintetizado e catabolizado somente nos plastídios e o carbono obtido da degradação do amido p ex em um cloroplasto à noite ingressa na rota glicolítica no citosol primariamente como glicose ver Capítulo 8 Na luz os produtos fotossintéticos entram na rota glicolítica diretamente como triose fosfato Em linhas gerais a glicólise funciona como um funil com uma fase inicial coletando carbono de diferentes fontes de carboi dratos dependendo da condição fisiológica Na fase inicial da glicólise cada unidade de hexose glicose é fosforilada duas vezes e depois decomposta produzindo consequentemente duas moléculas de triose fosfato Essa série de reações consome de 2 a 4 moléculas de ATP por unidade de sacarose dependendo de a sacaro se ser decomposta pela sacarose sintase ou pela invertase Essas reações também incluem duas das três reações es sencialmente irreversíveis da rota glicolítica as quais são catalisadas pela hexoquinase e pela fosfofrutoquinase ver Figura 123 Como será visto mais adiante a reação da fosfofrutoquinase é um dos pontos de controle da glicóli se tanto em plantas quanto em animais A fase de conservação de energia da glicólise extrai energia utilizável As reações discutidas até agora transferem carbono dos diversos pools de substrato para trioses fosfato Uma vez formado o gliceraldeído3fosfato a rota glicolítica pode co meçar a extrair energia utilizável na fase de conservação de energia A enzima gliceraldeído3fosfato desidrogenase catalisa a oxidação de aldeído a um ácido carboxílico re duzindo NAD a NADH Essa reação desprende energia livre suficiente permitindo a fosforilação usando fosfa to inorgânico do gliceraldeído3fosfato para produzir 13bifosfoglicerato O ácido carboxílico fosforilado no carbono 1 do 13bifosfoglicerato ver Figura 123 tem uma grande variação de energia livre padrão ΔG0 de hi drólise 493 kJ mol1 Assim o 13bifosfoglicerato é um forte doador de grupos fosfato Na etapa seguinte da glicólise catalisada pela fosfo glicerato quinase o fosfato no carbono 1 é transferido para uma molécula de ADP produzindo ATP e 3fosfoglicerato Para cada sacarose que entra na rota são gerados quatro ATPs por essa reação um para cada molécula de 13bi fosfoglicerato Esse tipo de síntese de ATP tradicionalmente deno minada fosforilação em nível de substrato envolve a transferência direta de um grupo fosfato de uma molécula de substrato para o ADP formando ATP A síntese de ATP por fosforilação em nível de substrato tem mecanismo distinto da síntese de ATP pelas ATPsintases envolvidas na fosforilação oxidativa em mitocôndrias que é descrita mais adiante neste capítulo ou na fotofosforilação em clo roplastos ver Capítulo 7 Nas duas reações seguintes o fosfato do 3fosfoglice rato é transferido para o carbono 2 e então uma molécula de água é removida produzindo o composto fosfoenolpiru vato PEP de phosphoenolpyruvate O grupo fosfato no PEP tem uma alta ΔG0 de hidrólise 619 kJ mol1 que faz do PEP um doador de fosfato extremamente adequado para a formação de ATP Usando PEP como substrato a enzi ma piruvato quinase catalisa uma segunda fosforilação em nível de substrato produzindo ATP e piruvato Essa etapa final que é o terceiro passo essencialmente irreversível na glicólise produz quatro moléculas adicionais de ATP para cada sacarose que ingressa na rota As plantas têm reações glicolíticas alternativas A degradação glicolítica de açúcares em piruvato ocorre na maioria dos organismos mas muitos deles podem operar também uma rota similar na direção oposta Esse proces so para sintetizar açúcares a partir de ácidos orgânicos é conhecido como gliconeogênese A gliconeogênese é particularmente importante em plantas como a mamona Ricinus communis e o girassol que armazenam carbono na forma de óleos triacilglice róis nas sementes Quando a semente germina o óleo é convertido pela gliconeogênese em sacarose que é trans portada para as células em crescimento na plântula Na fase inicial da glicólise a gliconeogênese sobrepõese à rota de síntese da sacarose a partir da triosefosfato fo tossintética descrita no Capítulo 8 que é típica de plantas Uma vez que a reação glicolítica catalisada pela fosfo frutoquinase dependente de ATP é essencialmente irreversível ver Figura 123 uma enzima adicional a frutose16bifos fato fosfatase converte a frutose16bifosfato irreversivel mente em frutose6fosfato e Pi durante a gliconeogênese A fosfofrutoquinase dependente de ATP e a frutose16 Taiz12indd 322 Taiz12indd 322 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 323 bifosfato fosfatase representam um importante ponto de controle do fluxo de carbono mediante as rotas glicolítica gliconeogênica tanto em plantas quanto em animais assim como na síntese de sacarose em plantas ver Capítulo 8 Em plantas a interconversão da frutose6fosfato e da frutose16bifosfato tornase mais complexa devido à presença de uma enzima citosólica adicional uma fos fofrutoquinase dependente de PPi pirofosfatofrutose6fos fato 1fosfotransferase a qual catalisa a seguinte reação reversível ver Figura 123 Frutose6P PPi frutose16bifosfato Pi em que P representa fosfato ligado A fosfofrutoquinase dependente de PPi é encontrada no citosol da maioria dos tecidos vegetais em níveis consideravelmente mais altos do que aqueles da fosfofrutoquinase dependente de ATP A reação catalisada pela fosfofrutoquinase dependente de PPi é prontamente reversível mas é improvável que ela opere na síntese de sacarose A supressão da fosfo frutoquinase dependente de PPi em plantas transgênicas mostrou que ela contribui para a conversão glicolítica de hexoses fosfato a trioses fosfato porém ela não é essencial para a sobrevivência da planta indicando que a fosfofru toquinase dependente de ATP pode assumir sua função As três enzimas que interconvertem frutose6fosfato e frutose16bifosfato são todas reguladas para correspon der às exigências da planta tanto pela respiração como pela síntese de sacarose e polissacarídeos Como consequência a operação de rota glicolítica em plantas tem várias carac terísticas singulares ver Ensaio 121 na internet No final do processo glicolítico as plantas exibem rotas alternativas para metabolizar o PEP Em uma rota o PEP é carboxilado pela enzima citosólica de ocorrên cia generalizada PEPcarboxilase para formar o ácido orgânico oxalacetato O oxalacetato é então reduzido a malato pela ação da malato desidrogenase que usa NADH como uma fonte de elétrons ver Figura 123 O malato resultante pode ser armazenado por exportação para o vacúolo ou transportado para a mitocôndria onde pode ser usado no ciclo do ácido cítrico discutido mais adian te Assim a ação da piruvato quinase e da PEPcarboxi lase pode produzir piruvato ou malato para a respiração mitocondrial se bem que o piruvato predomina na maio ria dos tecidos Na ausência de oxigênio a fermentação regenera o NAD necessário para a glicólise A fosforilação oxidativa não funciona na ausência de oxi gênio Portanto a glicólise não pode continuar porque o suprimento celular de NAD é limitado e uma vez que o NAD fica aprisionado no estado reduzido NADH a gliceraldeído3fosfatodesidrogenase chega a um im passe Para superar essa limitação as plantas e outros organismos podem prosseguir na metabolização do pi ruvato realizando uma ou mais formas de fermentação ver Figura 123 A fermentação alcoólica é comum em plantas embo ra mais amplamente conhecida pela levedura de cerveja Duas enzimas piruvato descarboxilase e álcool desidro genase atuam sobre o piruvato produzindo ao final eta nol e CO2 e oxidando NADH no processo Na fermentação do ácido láctico comum em músculo de mamíferos mas também encontrada em plantas a enzima lactato desi drogenase utiliza NADH para reduzir piruvato a lactato regenerando assim NAD Os tecidos vegetais podem ser submetidos a ambien tes com baixas concentrações hipóxicas ou zero anóxi cas de oxigênio O exemplo mais bem estudado diz res peito a solos inundados ou saturados de água nos quais a difusão do oxigênio é suficientemente reduzida para os tecidos das raízes se tornarem hipóxicos Tais condições forçam os tecidos a realizar o metabolismo fermentativo No milho Zea mays a resposta metabólica inicial às bai xas concentrações de oxigênio é a fermentação do ácido láctico mas a resposta subsequente é a fermentação alcoó lica Acreditase que o etanol seja um produto final menos tóxico da fermentação pois ele pode se difundir para fora da célula enquanto o lactato se acumula e promove a aci dificação do citosol Em numerosos outros casos as plan tas ou partes das plantas funcionam sob condições quase anóxicas realizando alguma forma de fermentação É importante considerar a eficiência da fermentação Eficiência é definida aqui como a energia conservada sob forma de ATP em relação à energia potencialmente dispo nível em uma molécula de sacarose A variação na energia livre padrão ΔG0 para a completa oxidação da sacarose a CO2 é de 5760 kJ mol1 A ΔG0 para a síntese de ATP é de 32 kJ mol1 No entanto sob as condições não padroni zadas que normalmente ocorrem em células tanto de ma míferos quanto de vegetais a síntese de ATP requer um acréscimo de energia livre de cerca de 50 kJ mol1 A glicólise normal leva à síntese líquida de quatro moléculas de ATP para cada molécula de sacarose que é convertida em piruvato Com etanol ou lactato como pro duto final a eficiência da fermentação é apenas de cerca de 4 A maioria da energia disponível na sacarose perma nece no etanol ou no lactato Alterações na rota glicolítica sob deficiência de oxigênio podem aumentar a produção de ATP Esse é o caso quando a sacarose é degradada via sacarose sintase em vez de invertase evitando o consu mo de ATP pela hexoquinase na fase inicial da glicólise Essas modificações enfatizam a importância da eficiência energética para a sobrevivência das plantas na ausência de oxigênio ver Ensaio 121 na internet Devido à baixa recuperação de energia da fermenta ção uma taxa maior de degradação de carboidratos é re querida para sustentar a produção de ATP necessária para a sobrevivência celular O aumento da taxa glicolítica é denominado efeito Pasteur em homenagem ao microbio logista francês Louis Pasteur que foi o primeiro a perce ber esse efeito quando leveduras mudaram da respiração aeróbica para a fermentação A glicólise é suprarregulada Taiz12indd 323 Taiz12indd 323 27102016 145442 27102016 145442 324 Unidade II Bioquímica e Metabolismo upregulated por variações nos níveis de metabólitos e pela indução de genes que codificam as enzimas da glicó lise e da fermentação Genes induzidos por baixas concen trações de oxigênio são regulados pela degradação depen dente de oxigênio de fatores reguladores gênicos Ao contrário dos produtos da fermentação o piruva to produzido pela glicólise durante a respiração aeróbica é posteriormente oxidado pelas mitocôndrias resultando em uma utilização muito mais eficiente da energia livre disponível na sacarose A glicólise vegetal é controlada por seus produtos In vivo a glicólise parece ser regulada na etapa da fosfori lação da frutose6fosfato e da reposição do PEP Diferente dos animais AMP e ATP não são os principais efetores da fosfofrutoquinase e da piruvato quinase vegetais Um regulador mais importante da glicólise vegetal é a concen tração citosólica de PEP o qual é um potente inibidor da fosfofrutoquinase dependente de ATP dos vegetais O efeito inibidor do PEP sobre a fosfofrutoquinase é fortemente diminuído por fosfato inorgânico fazendo da razão citosólica entre PEP e Pi um fator crítico no contro le da atividade glicolítica vegetal A piruvato quinase e a PEPcarboxilase enzimas que metabolizam o PEP nas úl timas etapas da glicólise ver Figura 123 são por sua vez sensíveis à inibição por retroalimentação pelos interme diários do ciclo do ácido cítrico e seus derivados incluindo malato citrato 2oxoglutarato e glutamato Nas plantas portanto o controle da glicólise vem de baixo para cima bottom up conforme discutido mais adiante no capítulo com a regulação primária no nível do metabolismo do PEP pela piruvato quinase e pela PEP carboxilase A regulação secundária é exercida pelo PEP na conversão da frutose6fosfato em frutose16bifosfato ver Figura 123 Por outro lado a regulação em animais opera de cima para baixo top down com a ativação pri mária ocorrendo na fosfofrutoquinase e a ativação secun dária na piruvato quinase Um possível benefício do controle de baixo para cima da glicólise é que ele permite às plantas regularem o fluxo glicolítico líquido para o piruvato independentemen te de processos metabólicos relacionados como o ciclo de CalvinBenson e a interconversão sacarosetriose fosfato amido Outro benefício desse mecanismo de controle é que a glicólise pode se ajustar à demanda por precursores biossintéticos Uma consequência do controle de baixo para cima da glicólise é que sua taxa pode influenciar as concentra ções celulares de açúcares em combinação com processos fornecedores de açúcares como o transporte no floema A glicose e a sacarose são moléculas sinalizadoras poten tes que induzem a planta a ajustar seu crescimento e de senvolvimento a seu status de carboidratos Por exemplo a hexoquinase não funciona somente como uma enzima glicolítica mas também como um receptor de glicose que induz a expressão gênica dependente de açúcar A presença de mais de uma enzima metabolizando o PEP em células vegetais piruvato quinase e PEPcarbo xilase pode ter consequências para o controle da glicóli se Embora as duas enzimas sejam inibidas por produtos metabólicos similares a PEPcarboxilase pode sob certas condições catalisar uma reação que desvia da piruvato quinase O malato resultante pode então entrar no ciclo do ácido cítrico mitocondrial O suporte experimental para múltiplas rotas de me tabolismo do PEP vem do estudo de plantas transgênicas de tabaco com menos de 5 do nível normal de piruvato quinase citosólica em suas folhas Nessas plantas nem as taxas de respiração nem as taxas de fotossíntese foliares diferiram daquelas em controles com níveis de piruvato quinase semelhantes aos de plantas selvagens No entan to o crescimento reduzido das raízes nas plantas transgê nicas indicou que a reação da piruvato quinase não podia ser evitada sem alguns efeitos prejudiciais A frutose26bifosfato também afeta a reação da fos fofrutoquinase mas diferente do PEP ela afeta a reação tanto para frente como na direção inversa ver Capítulo 8 para uma discussão detalhada Portanto a frutose26 bifosfato atua na mediação do controle da partição de açúcares entre a respiração e a biossíntese Outro nível de regulação pode resultar de mudanças na localização das enzimas glicolíticas Acreditavase que essas enzimas estavam dissolvidas no citosol entretanto atualmente é evidente que sob alta demanda respiratória há um pool substancial de enzimas glicolíticas ligado à su perfície mitocondrial externa Essa localização permite o movimento direto dos intermediários de uma enzima para a próxima chamado de canalização de substrato que sepa ra a glicólise ligada à mitocôndria da glicólise no citosol A última pode então contribuir com intermediários de carbono para outros processos sem interferir com a produ ção de piruvato para a respiração O conhecimento da regulação da glicólise requer o es tudo das variações temporais nos níveis de metabólitos A extração a separação e a análise rápidas de vários me tabólitos podem ser alcançadas por uma abordagem de nominada elaboração de perfil metabólico ver Ensaio 122 na internet Rota oxidativa das pentoses fosfato A rota glicolítica não é a única disponível para a oxidação de açúcares em células vegetais A rota oxidativa das pentoses fosfato também conhecida como desvio das hexoses mono fosfato também pode realizar essa tarefa Figura 124 As reações são realizadas por enzimas solúveis presentes no ci tosol e em plastídios Sob a maioria das situações a rota nos plastídios predomina em relação à rota citosólica As duas primeiras reações dessa rota envolvem os eventos oxidativos que convertem a molécula de seis car bonos glicose6fosfato em uma unidade de cinco car bonos a ribulose5fosfato com perda de uma molécula Taiz12indd 324 Taiz12indd 324 27102016 145442 27102016 145442 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 325 Glicose6fosfato 6Fosfogluconato Glicose6 fosfato desidrogenase Ribulose5fosfato Ribulose5fosfato Gluconato6 fosfato desidrogenase Ribose5fosfato Xilulose5fosfato Frutose6fosfato Eritrose4 fosfato Gliceraldeído 3fosfato Sedoheptulose 7fosfato Gliceraldeído 3fosfato Pentose fosfato epimerase Transcetolase Transaldolase Transcetolase NADPH é gerado nas duas primeiras reações da rota onde a glicose6fosfato é oxidada a ribulose5fosfato Essas reações são essencialmente irreversíveis A ribulose5fosfato é convertida nos intermediários glicolíticos frutose 6fosfato e gliceraldeído3fosfato por uma série de interconversões metabólicas Essas reações são livremente conversíveis Pentose fosfato isomerase Hexose fosfato isomerase H H H H H OH OH OH O COOH HCOH HO CH2O HOCH HCOH HCOH CH2O CH2OH C O HCOH HCOH CH2O CO2 CHO HCOH HCOH HCOH CH2O CH2OH HOCH HCOH CH2O C O HOCH CH2OH HCOH HCOH CH2O HCOH HCOH CH2O CHO CHO HCOH CH2O CH2OH HOCH HCOH HCOH HCOH CH2O C O C O HCOH CH2O CHO P P P P P P P P P NADPH NADP NADPH NADP P Figura 124 Reações da rota oxidativa das pentoses fosfato em plantas As duas pri meiras reações que são reações de oxidação são essencialmente irreversíveis Elas su prem NADPH para o citoplasma e plastídios na ausência de fotossíntese A parte posterior a jusante da rota é reversível como indicado pelas setas duplas de modo que ela pode suprir substratos de cinco carbonos para a biossíntese mesmo quando as reações de oxi dação são inibidas como por exemplo nos cloroplastos na luz Taiz12indd 325 Taiz12indd 325 27102016 145442 27102016 145442 326 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de CO2 e a geração de duas moléculas de NADPH não de NADH As reações restantes da rota convertem ribu lose5fosfato nos intermediários glicolíticos gliceraldeí do3fosfato e frutose6fosfato Esses produtos podem ser depois metabolizados pela glicólise para produzir pi ruvato Alternativamente glicose6fosfato pode ser rege nerada a partir do gliceraldeído3fosfato e da frutose6 fosfato por enzimas glicolíticas Para seis voltas do ciclo podese escrever a reação da seguinte forma 6 Glicose6P 12 NADP 7 H2O 5 Glicose6P 6 CO2 Pi 12 NADPH 12 H O resultado líquido é a completa oxidação de uma molé cula de glicose6fosfato a CO2 cinco moléculas são rege neradas com a síntese concomitante de 12 moléculas de NADPH Estudos de liberação de CO2 de glicose marcada iso topicamente indicam que a rota das pentoses fosfato con tribui com 10 a 25 da degradação da glicose com o resto ocorrendo principalmente via glicólise Como será visto a contribuição da rota das pentoses fosfato varia duran te o desenvolvimento e com as mudanças nas condições de crescimento à medida que as exigências da planta por produtos específicos variam A rota oxidativa das pentoses fosfato produz NADPH e intermediários biossintéticos A rota oxidativa das pentosesfosfato desempenha diver sos papéis no metabolismo vegetal Suprimento de NADPH no citosol O produto das duas etapas oxidativas é NADPH Esse NADPH dirige as etapas redutoras associadas com reações biossintéti cas e defesa ao estresse além de ser um substrato para reações que removem espécies reativas de oxigênio EROs Como as mitocôndrias vegetais possuem uma NADPHdesidrogenase localizada sobre a superfície externa da membrana interna o poder redutor gera do pela rota das pentoses fosfato pode ser equilibrado pela oxidação do NADPH mitocondrial A rota das pentoses fosfato pode portanto contribuir também para o metabolismo energético celular isto é elétrons do NADPH podem terminar reduzindo O2 e gerando ATP por meio da fosforilação oxidativa Suprimento de NADPH nos plastídios Em plastídios não verdes como os amiloplastos e em cloroplastos que funcionam no escuro a rota das pentoses fosfato é a principal fornecedora de NADPH O NADPH é usa do para reações biossintéticas como a biossíntese de lipídeos e a assimilação de nitrogênio A formação de NADPH pela oxidação da glicose6fosfato em ami loplastos pode também sinalizar o status de açúcares ao sistema tiorredoxina para o controle da síntese de amido Suprimento de substratos para processos biossintéticos Na maioria dos organismos a rota das pentoses fos fato produz ribose5fosfato um precursor da ribose e da desoxirribose necessárias na síntese de ácidos nucleicos Em plantas no entanto a ribose parece ser sintetizada por outra rota ainda desconhecida Ou tro intermediário na rota das pentoses fosfato a eri trose4fosfato de quatro carbonos combinase com PEP na reação inicial que produz compostos fenólicos incluindo aminoácidos aromáticos e os precursores de lignina flavonoides e fitoalexinas ver Apêndice 4 na internet Esse papel da rota das pentoses fosfato é sustentado pela observação de que suas enzimas são induzidas por condições de estresse como lesões nas quais a biossíntese de compostos aromáticos é neces sária para reforçar e proteger o tecido A rota oxidativa das pentoses fosfato é regulada por reações redox Cada etapa enzimática na rota oxidativa das pentoses fos fato é catalisada por um grupo de isozimas que variam em sua abundância e propriedades reguladoras nos órgãos ve getais A reação inicial da rota catalisada pela glicose6 fosfatodesidrogenase é em muitos casos inibida por uma alta razão entre NADPH e NADP Na luz ocorre uma baixa operação da rota das pento sesfosfato nos cloroplastos A glicose6fosfatodesidro genase é inibida por uma inativação redutora envolvendo o sistema ferredoxinatiorredoxina ver Capítulo 8 e pela razão entre NADPH e NADP Além disso os produtos finais da rota frutose6fosfato e gliceraldeído3fosfato estão sen do sintetizados pelo ciclo de CalvinBenson Assim a ação em massa vai governar as reações não oxidativas da rota na direção contrária Desse modo a síntese de eritrose4 fosfato pode ser mantida na luz Em plastídios não verdes a glicose6fosfatodesidrogenase é menos sensível à inati vação por tiorredoxina reduzida e NADPH podendo por tanto reduzir NADP para manter uma elevada redução de componentes do plastídio na ausência de fotossíntese Ciclo do ácido cítrico Durante o século XIX os biólogos descobriram que na au sência de ar as células produzem etanol ou ácido láctico enquanto na presença de ar as células consomem O2 e produzem CO2 e H2O Em 1937 o bioquímico inglês nas cido na Alemanha Hans A Krebs relatou a descoberta do ciclo do ácido cítrico também chamado de ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo de Krebs A elucidação do ciclo do ácido cítrico não somente explicou como o piruvato é degradado em CO2 e H2O mas também salientou o con ceitochave de ciclos em rotas metabólicas Por essa des coberta Hans Krebs foi agraciado com o Prêmio Nobel em fisiologia ou medicina em 1953 Como o ciclo do ácido cítrico está localizado na matriz mitocondrial inicialmente será feita uma descrição geral da estrutura e do funcionamento mitocondriais conheci mentos obtidos principalmente por meio de experimentos com mitocôndrias isoladas ver Tópico 121 na internet Taiz12indd 326 Taiz12indd 326 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 327 Em seguida serão revisadas as etapas do ciclo do ácido cítrico enfatizando as características específicas para as plantas e como elas afetam a função respiratória As mitocôndrias são organelas semiautônomas A degradação da sacarose em piruvato libera menos que 25 da energia total da sacarose a energia restante é armazenada nas quatro moléculas de piruvato As duas próximas etapas da respiração o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa ocorrem dentro de uma organela limitada por uma membrana dupla a mitocôndria As mitocôndrias vegetais em geral são esféricas ou em forma de bastão e têm de 05 a 10 μm de diâmetro e até 3 μm de comprimento Figura 125 Como os cloroplastos as mitocôndrias são organelas semiautônomas porque contêm ribossomos RNA e DNA os quais codificam um número limitado de proteínas mitocondriais As mitocôn drias vegetais são portanto capazes de realizar as várias etapas da síntese proteica e de transmitir suas informa ções genéticas O número e os tamanhos de mitocôndrias em uma célula podem variar dinamicamente devido à di visão e à fusão mitocondrial ver Figura 125C e Ensaio 123 na internet enquanto mantêmse com a divisão celular Tecidos metabolicamente ativos em geral contêm mais mitocôndrias que tecidos menos ativos refletindo o papel das mitocôndrias no metabolismo energético As célulasguarda por exemplo são extraordinariamente ri cas em mitocôndrias As características ultraestruturais da mitocôndria ve getal são similares àquelas das mitocôndrias em outros or ganismos ver Figura 125A e B As mitocôndrias vegetais têm duas membranas uma membrana mitocondrial ex terna lisa circunda completamente uma membrana mito condrial interna altamente invaginada As invaginações da membrana interna são conhecidas como cristas Como consequência de sua área de superfície significativamente aumentada a membrana interna pode conter mais de 50 do total de proteína mitocondrial A região entre as duas membranas mitocondriais é conhecida como espaço in termembrana O compartimento envolto pela membrana interna é referido como matriz mitocondrial Ela tem um conteúdo bastante alto de macromoléculas cerca de 50 em massa Como há pouca água na matriz a mobilidade é restringida e é provável que as proteínas da matriz estejam organizadas em complexos multienzimáticos para facilitar a canalização de substratos As mitocôndrias intactas são osmoticamente ativas isto é elas absorvem água e intumescem quando coloca das em um meio hiposmótico Íons e moléculas polares em geral são incapazes de se difundir livremente através da membrana interna que funciona como a barreira os mótica A membrana externa é permeável a solutos que têm massa molecular menor do que cerca de 10000 Da isto é a maioria dos metabólitos celulares e íons mas não a proteínas A fração lipídica de ambas as membranas é principalmente formada por fosfolipídeos 80 dos quais são ou fosfatidilcolina ou fosfatidiletanolamina Cerca de 15 são difosfatidilglicerol também chamado de cardio lipina que ocorre nas células somente na membrana mi tocondrial interna 05 μm 05 μm A C Espaço intermembrana Membrana externa Membrana interna Matriz Cristas B Figura 125 Estrutura das mitocôndrias de animais e plantas A Imagem de tomo grafia tridimensional de uma mitocôndria do cérebro de frango mostrando as invagina ções da membrana interna denominadas cristas bem como as localizações da matriz e do espaço intermembrana ver também Figura 1210 B Micrografia ao micros cópio eletrônico de uma mitocôndria em uma célula do mesofilo de fava Vicia faba Normalmente as mitocôndrias individuais têm 1 a 3 μm de comprimento em células vegetais ou seja elas são substancialmente menores do que o núcleo e os plastídios C Imagens em sequência temporal mostrando uma mitocôndria dividindose em uma célula epidérmica de Arabidopsis pontas de setas Todas as organelas visíveis são mitocôndrias marcadas com proteína fluorescente verde As imagens exibidas foram tomadas em intervalos de 2 s Barra de escala 1 μm Ver Ensaio 123 na internet para o vídeo completo A de Perkins et al 1997 B de Gunning e Steer 1996 C cortesia de David C Logan Taiz12indd 327 Taiz12indd 327 27102016 145443 27102016 145443 328 Unidade II Bioquímica e Metabolismo O piruvato entra na mitocôndria e é oxidado pelo ciclo do ácido cítrico O ciclo do ácido cítrico também é conhecido como ciclo dos ácidos tricarboxílicos devido à importância dos ácidos cítrico citrato e isocítrico isocitrato como intermediários iniciais Figura 126 Esse ciclo constitui o segundo es tágio da respiração e ocorre na matriz mitocondrial Sua operação requer que o piruvato gerado no citosol durante a glicólise seja transportado pela membrana impermeável interna da mitocôndria através de uma proteína de trans porte específica como será descrito brevemente Uma vez dentro da matriz mitocondrial o piruvato é descarboxilado em uma reação de oxidação catalisada pela piruvato desidrogenase um grande complexo con tendo diversas enzimas Os produtos são NADH CO2 e acetilCoA na qual o grupo acetil derivado do piruvato é ligado por uma ligação tioéster a um cofator a coenzima A CoA ver Figura 126 Na próxima reação a enzima citrato sintase formal mente a primeira enzima no ciclo do ácido cítrico combina ATP ADP FADH2 FAD Aconitase CO2 CO2 Citrato Isocitrato Oxalacetato Malato Succinato SuccinilCoA 2oxoglutarato Fumarato Isocitrato desidrogenase 2oxoglutarato desidrogenase CoA SuccinilCoAsintetase Succinato desidrogenase Fumarase Malato desidrogenase Ciclo do ácido cítrico NADH NADH NADH NADH NAD NAD NAD NAD Uma molécula de ATP é sintetizada por uma fosforilação em nível do substrato durante a reação catalisada pela succinilCoAsintetase CO2 Piruvato Piruvato desidrogenase CO2 NADH NAD A enzima málica pode descarboxilar o malato a piruvato Em combinação com a malato desidrogenase isso possibilita à mitocôndria vegetal oxidar malato a CO2 AcetilCoA Citrato sintase CH3 O O OH C C C C C CH2 C H H OH OH C O O O O O O C C C CH2 C H H C O O O O O O O C CH3 CoA C CH2 CH2 C O C O O O O C CH2 CH2 O O C C C H H H H C O O O O C C C C O O O O H H C C H OH CH2 C O O O O C C CH2 C O O O O O C CoA CoA O H2O H2O Enzima málica CoA CoA Figura 126 Ciclo do ácido cítrico em plantas e reações associadas As reações e as enzimas do ciclo do ácido cítrico são exibidas em conjunto com as reações acessórias da piruvato desidrogenase e da enzima málica O piruvato é completa mente oxidado a três moléculas de CO2 e em combinação a malato desidrogenase e a enzima málica possibilitam às mito côndrias vegetais oxidar completamente o malato Os elétrons liberados durante essas oxidações são utilizados para reduzir quatro moléculas de NAD a NADH e uma molécula de FAD a FADH2 Taiz12indd 328 Taiz12indd 328 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 329 o grupo acetil da acetilCoA com um ácido dicarboxílico de quatro carbonos oxalacetato para gerar um ácido tri carboxílico de seis carbonos citrato O citrato é então isomerizado a isocitrato pela enzima aconitase As duas reações seguintes são descarboxilações oxi dativas sucessivas Cada uma delas produz um NADH e libera uma molécula de CO2 gerando um produto de qua tro carbonos ligado à CoA succinilCoA Nesse ponto três moléculas de CO2 foram produzidas para cada piru vato que ingressou na mitocôndria ou 12 CO2 para cada molécula de sacarose oxidada No restante do ciclo do ácido cítrico succinilCoA é oxidada a oxalacetato permitindo a operação continuada do ciclo Inicialmente a grande quantidade de energia livre disponível na ligação tioéster da succinilCoA é conser vada pela síntese de ATP a partir de ADP e Pi via uma fosforilação em nível de substrato catalisada pela succinil CoAsintetase Lembre que a energia livre disponível na ligação tioéster da acetilCoA foi usada para formar uma ligação carbonocarbono na etapa catalisada pela citrato sintase O succinato resultante é oxidado a fumarato pela succinato desidrogenase que é a única enzima do ciclo do ácido cítrico associada a membranas e também parte da cadeia de transporte de elétrons Os elétrons e os prótons removidos do succinato não terminam no NAD mas em outro cofator envolvido em reações redox flavina adenina dinucleotídeo FAD A FAD é ligada covalentemente ao sítio ativo da succina to desidrogenase e sofre uma redução reversível com dois elétrons para produzir FADH2 ver Figura 122B Nas duas reações finais do ciclo do ácido cítrico o fumarato é hidratado para produzir malato que é subse quentemente oxidado pela malato desidrogenase para rege nerar oxaloacetato e produzir outra molécula de NADH O oxaloacetato produzido é agora capaz de reagir com ou tra acetilCoA e continuar o ciclo A oxidação em etapas de uma molécula de piruvato na mitocôndria dá origem a três moléculas de CO2 sendo que a maior parte da energia livre desprendida durante essas oxidações é conservada na forma de quatro NADH e um FADH2 Além disso uma molécula de ATP é produzida por uma fosforilação em nível de substrato O ciclo do ácido cítrico em plantas tem características singulares As reações do ciclo do ácido cítrico destacadas na Figu ra 126 não são todas idênticas àquelas realizadas pelas mitocôndrias animais A etapa catalisada pela succinil CoAsintetase por exemplo produz ATP em plantas e GTP em animais Esses nucleotídeos são equivalentes energeticamente Uma característica do ciclo do ácido cítrico em plantas inexistente em muitos outros organismos é a presença da enzima málica na matriz mitocondrial de vegetais Essa enzima catalisa a descarboxilação oxidativa do malato Malato NAD piruvato CO2 NADH A atividade da enzima málica permite às mitocôndrias vegetais operarem rotas alternativas para o metabolismo do PEP derivado da glicólise ver Ensaio 121 na internet Conforme já descrito o malato pode ser sintetizado a par tir do PEP no citosol via enzimas PEPcarboxilase e ma lato desidrogenase ver Figura 123 Para a degradação o malato é transportado para a matriz mitocondrial onde a enzima málica pode oxidálo a piruvato Essa reação torna possível a completa oxidação líquida dos intermediários do ciclo do ácido cítrico como o malato Figura 127A ou o ci trato Figura 127B Muitos tecidos vegetais não somente aqueles que realizam o metabolismo ácido das crassuláceas ver Capítulo 8 armazenam nos seus vacúolos quantida des significativas de malato e de outros ácidos orgânicos A degradação do malato via enzima málica mitocondrial é importante para regular os níveis de ácidos orgânicos em células por exemplo durante o amadurecimento de frutos Em vez de ser degradado o malato produzido via PEPcarboxilase pode repor os intermediários do ciclo do ácido cítrico utilizados na biossíntese As reações que repõem intermediários em um ciclo metabólico são co nhecidas como anapleróticas Por exemplo a exportação de 2oxoglutarato para a assimilação de nitrogênio no cloroplasto provoca uma falta de malato para a reação da citratosintase Esse malato pode ser reposto pela rota da PEPcarboxilase Figura 127C O ácido gamaaminobutírico GABA de gammaami nobutyric acid é um aminoácido que se acumula em plan tas sob condições de vários estresses bióticos e abióticos O GABA é sintetizado a partir de 2oxoglutarato e degra dado a succinato pelo chamado desvio de GABA que evi ta as enzimas do ciclo do ácido cítrico A relação funcional entre o acúmulo de GABA e o estresse permanece pouco compreendida Transporte de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP O ATP é o carregador de energia utilizado pelas células para impulsionar os processos vitais assim a energia química conservada durante o ciclo do ácido cítrico sob a forma de NADH e FADH2 deve ser convertida em ATP para realizar trabalho útil dentro da célula Esse proces so dependente de O2 denominado fosforilação oxidativa ocorre na membrana mitocondrial interna Nesta seção será descrito o processo pelo qual o nível de energia dos elétrons de NADH e FADH2 é reduzido de maneira gradual e conservado na forma de um gradiente eletroquímico de prótons através da membrana mitocondrial interna Embora fundamentalmente similar em todas as cé lulas aeróbicas a cadeia de transporte de elétrons em plantas e em muitos fungos e protistas contém múltiplas NADP Hdesidrogenases e uma oxidase alternativa nenhuma das quais é encontrada nas mitocôndrias de mamíferos Será examinada também a enzima que utiliza a ener gia do gradiente de prótons para sintetizar ATP a FoF1 Taiz12indd 329 Taiz12indd 329 27102016 145443 27102016 145443 330 Unidade II Bioquímica e Metabolismo ATPsintase Depois de examinar os diversos estágios na produção de ATP serão resumidas as etapas de conserva ção de energia em cada estágio bem como os mecanismos reguladores que coordenam as diferentes rotas A cadeia de transporte de elétrons catalisa o fluxo de elétrons do NADH ao O2 Para cada molécula de sacarose oxidada pela glicólise e pelo ciclo do ácido cítrico quatro moléculas de NADH são geradas no citosol e dezesseis moléculas de NADH mais quatro moléculas de FADH2 associadas à succinatode sidrogenase são geradas na matriz mitocondrial Esses compostos reduzidos precisam ser reoxidados ou todo o processo respiratório para A cadeia de transporte de elétrons catalisa uma transferência de dois elétrons do NADH ou FADH2 ao oxigênio o aceptor final de elétrons do processo respira tório Para a oxidação do NADH a reação pode ser escrita como NADH H ½ O2 NAD H2O A partir dos potenciais de redução para o par NADH NAD 320 mV e o par H2O½ O2 810 mV pode ser calculado que a energia livre padrão liberada durante essa reação global nFΔE0 é de cerca de 220 kJ por mol de NADH Como o potencial de redução do succinato fuma rato é mais alto 30 mV apenas 152 kJ por mol de suc cinato são liberados O papel da cadeia de transporte de elétrons é realizar a oxidação do NADH e FADH2 e no processo utilizar parte da energia livre liberada para gerar um gradiente eletroquímico de prótons Δμ H através da membrana mitocondrial interna A cadeia de transporte de elétrons de plantas contém o mesmo conjunto de carregadores de elétrons encontra dos em mitocôndrias de outros organismos Figura 128 As proteínas individuais de transporte de elétrons estão organizadas em quatro complexos transmembrana mul tiproteicos identificados pelos numerais romanos de I a IV todos localizados na membrana mitocondrial interna Três desses complexos estão envolvidos no bombeamento de prótons I III e IV COMPLEXO I NADHDESIDROGENASE Elétrons do NADH gerados pelo ciclo do ácido cítrico na matriz mi tocondrial são oxidados pelo complexo I uma NADHde sidrogenase Os carregadores de elétrons no complexo I incluem um cofator fortemente ligado flavina mononu cleotídeo ou FMN o qual é quimicamente similar a FAD ver Figura 122B além de vários centros ferroenxofre O complexo I então transfere esses elétrons à ubiquino na Quatro prótons são bombeados da matriz para o es paço intermembrana para cada par de elétrons que passa pelo complexo A ubiquinona um pequeno carregador de prótons e elétrons lipossolúvel está localizada dentro da membra na interna Ela não está fortemente associada a qualquer Enzima málica Enzima málica PEP carboxilase 2 Malato 1 Oxalacetato 1 Piruvato A 1 Citrato 1 Isocitrato 1 AcetilCoA 2 Malato 1 Piruvato B 1 Citrato 2 Isocitrato 1 AcetilCoA 1 Citrato Do citosol 1 Malato Do citosol 1 Oxalacetato 1 Malato 1 Piruvato 2 PEP C 1 Citrato 1 Isocitrato 1 2Oxoglutarato Assimilação do nitrogênio 1 AcetilCoA 1 Oxaloacetato Figura 127 A enzima málica e a PEPcarboxilase conferem às plantas flexibilidade metabólica para o metabolismo do PEP e do piruvato A enzima málica converte malato em piruvato e assim possibilita às mitocôndrias vegetais oxidar tanto A malato como B citrato a CO2 sem envolver o piruvato liberado pela glicólise C Com a ação adicional da PEPcarboxilase à rotapadrão o PEP gli colítico é convertido em 2oxoglutarato que é usado para a assimi lação de nitrogênio Taiz12indd 330 Taiz12indd 330 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 331 proteína e pode se difundir no interior hidrofóbico da bi camada da membrana COMPLEXO II SUCCINATO DESIDROGENASE A oxidação do succinato no ciclo do ácido cítrico é cata lisada por esse complexo sendo os equivalentes reduto res transferidos via FADH2 e um grupo de centros ferro enxofre para a ubiquinona O complexo II não bombeia prótons COMPLEXO III COMPLEXO DE CITOCROMOS bc1 O complexo III oxida a ubiquinona reduzida ubiquinol e transfere os elétrons via um centro ferroenxofre dois citocromos tipo b b565 e b560 e um citocromo c1 ligado à membrana para o citocromo c Quatro prótons por par de elétrons são bombeados para fora da matriz pelo complexo III usando um mecanismo chamado de ciclo Q ver Tópico 122 na internet O citocromo c é uma pequena proteína fracamente presa à superfície externa da membrana interna e serve como um carregador móvel que transfere elétrons entre os complexos III e IV COMPLEXO IV CITOCROMO c OXIDASE O complexo IV contém dois centros de cobre CuA e CuB e os citocro mos a e a3 Esse complexo é a oxidase terminal e realiza a redução do O2 a duas moléculas de H2O com quatro elé trons Dois prótons são bombeados para cada par de elé trons ver Figura 128 Tanto estrutural quanto funcionalmente a ubiquino na e o complexo de citocromos bc1 são muito similares à plastoquinona e ao complexo de citocromos b6f respecti vamente na cadeia fotossintética de transporte de elétrons ver Capítulo 7 A realidade pode ser mais complexa do que a descri ção anterior sugere Os complexos respiratórios vegetais contêm certo número de subunidades específicas às plan tas cujas funções são ainda desconhecidas Muitos dos complexos contêm subunidades que participam em ou tras funções que não o transporte de elétrons como a im portação de proteínas Finalmente vários dos complexos parecem estar presentes em supercomplexos em vez de estarem livremente móveis na membrana embora o sig nificado funcional desses supercomplexos não seja claro e e e e e e Membrana interna 4 H 4 H 2 H 3 H H H 3 H ATP NADPHdesidrogenases externas insensíveis à rotenona podem aceitar elétrons diretamente do NADH ou do NADPH produzido no citosol O pool de ubiquinona UQ difundese livremente dentro da membrana interna e serve para transferir elétrons das desidrogenases tanto para o complexo III como para a oxidase alternativa NADPHdesidrogenases internas insensíveis à rotenona existem sobre o lado matricial da membrana A oxidase alternativa AOX aceita elétrons diretamente da ubiquinona ESPAÇO INTERMEMBRANA MATRIZ NADH NAD AOX Ca2 NADPH NADPH NADP NADP Succinato Fumarato O2 H2O O2 H2O UQ Cit c UCP ADP Pi Complexo I NADH desidrogenase Complexo II Succinato desidrogenase Complexo III Complexo citocromo bc1 Complexo IV Citocromo c oxidase Complexo V ATPsintase FO F1 O citocromo c é uma proteína periférica que transfere elétrons do complexo III para o complexo IV A proteína desacopladora UCP transporta H diretamente através da membrana e Figura 128 Organização da cadeia de transporte de elétrons e síntese de ATP na membrana interna da mitocôndria vegetal As mitocôndrias de quase todos os eucariotos contêm os quatro complexos proteicos padrão I II III e IV As estruturas de todos os complexos foram determinadas mas eles são mostrados aqui como formas simplificadas A cadeia de transporte de elétrons da mitocôndria vegetal contém enzimas adicionais marcadas em ver de que não bombeiam prótons Adicionalmente proteínas desaco pladoras desviam diretamente da ATPsintase ao permitir o influxo passivo de prótons Essa multiplicidade de desvios dá uma maior flexibilidade ao acoplamento energético em plantas os mamíferos possuem apenas a enzima desacopladora Taiz12indd 331 Taiz12indd 331 27102016 145443 27102016 145443 332 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A cadeia de transporte de elétrons tem ramificações suplementares Além do conjunto de complexos proteicos já descrito a cadeia de transporte de elétrons das plantas contém com ponentes não encontrados em mitocôndrias de mamíferos ver Figura 128 e Tópico 123 na internet Especialmen te NADPHdesidrogenases adicionais e uma assim cha mada oxidase alternativa são ligadas à membrana inter na Elas não bombeiam prótons de modo que a energia liberada da oxidação do NADH não é conservada como ATP mas em vez disso é convertida em calor Figura 129 Essas enzimas por conseguinte são frequentemen te chamadas de não fosforilativas diferente dos complexos de bombeamento de prótons I III e IV As mitocôndrias vegetais têm duas rotas de oxida ção do NADH matricial O fluxo de elétrons através do complexo I descrito anteriormente é sensível à inibição por vários compostos incluindo a rotenona e a piericidina Além disso as mitocôndrias vegetais possuem uma desidrogenase insensível à rotenona NDinNADH sobre a superfície voltada para a ma triz da membrana mitocondrial interna Essa enzima oxida NADH derivado do ciclo do ácido cítrico e pode também ser um desvio utilizado quando o complexo I está sobrecarregado como será visto em breve Uma NADPHdesidrogenase NDinNADPH também está presente sobre a superfície matricial mas muito pouco é conhecido sobre essa enzima As NADPHdesidrogenases insensíveis à rotenona a maior parte dependente de Ca2 também estão ade ridas à superfície externa da membrana interna volta da para o espaço intermembrana Elas oxidam tanto NADH como NADPH do citosol Os elétrons dessas NADPHdesidrogenases externas NDexNADH e NDexNADPH entram na cadeia de transporte de elétrons principal ao nível do pool de ubiquinona A maioria das plantas se não todas tem uma rota res piratória alternativa para a oxidação do ubiquinol e a redução de oxigênio Essa rota envolve a oxidase al ternativa que diferente da citocromo c oxidase é in sensível à inibição por cianeto monóxido de carbono e a molécula sinalizadora óxido nítrico ver Tópico 123 na internet e Ensaio 124 na internet O significado fisiológico dessas enzimas suplementa res do transporte de elétrons será considerado de maneira mais completa posteriormente neste capítulo Algumas desidrogenases adicionais da cadeia de trans porte de elétrons presentes na mitocôndria vegetal realizam diretamente importantes conversões de carbono A prolina desidrogenase oxida o aminoácido prolina A prolina acumu lase durante o estresse osmótico ver Capítulo 24 e ela é degradada por essa rota mitocondrial quando o status hídri co retorna ao normal Uma flavoproteínaquinona oxidor redutase de transferência de elétrons medeia a degradação de vários aminoácidos que são usados pelas plantas como uma reserva sob condições de fome de carbono induzida pela falta de luz Por fim uma galactonogamalactonade sidrogenase específica de plantas realiza a última etapa na principal rota para a síntese do antioxidante ácido ascórbi co também conhecido como vitamina C A enzima usa o citocromo c como seu aceptor de elétrons em competição com a respiração normal FAD Centro ferroferro NADH H NADHdesidrogenase Oxidase alternativa NAD O2 H2O UQH2 UQ Espaço intermembrana Membrana mitocondrial interna Matriz Figura 129 Transporte de elétrons não fosforilativo A NADH desidrogenase interna insensível à rotenona e a oxidase alternati va são ambas homodímeros e as reações são desempenhadas por cada um dos monômeros As enzimas são parcialmente embebidas no folheto interno da membrana interna da mitocôndria Portanto a transferência de elétrons entre os pares redox hidrofílicos NADH NAD e H2OO2 e a ubiquinona hidrofóbica UQH2UQ via centros redox internos solitários single FAD ou grupos ferroferro não pode envolver o bombeamento de prótons a energia liberada pela reação é em vez disso desprendida como calor O bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial interna requer grandes complexos proteicos transmembrana Modelo de NADHdesidro genase de levedura de cerveja Saccharomyces cerevisiae com base em dados de Iwata et al 2012 modelo da oxidase alternativa do parasita da doença do sono Trypanosoma brucei com base em dados de Shiba et al 2013 Taiz12indd 332 Taiz12indd 332 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 333 A síntese de trifosfato de adenosina na mitocôndria está acoplada ao transporte de elétrons Na fosforilação oxidativa a transferência de elétrons para o oxigênio via os complexos I III e IV é acoplada à sín tese de ATP a partir de ADP e Pi via a FoF1ATPsintase complexo V O número de ATPs sintetizados depende da natureza do doador de elétrons Em experimentos conduzidos em mitocôndrias iso ladas elétrons doados para o complexo I p ex gerados pela oxidação do malato geram razões ADPO o número de ATPs sintetizados por dois elétrons transferidos para o oxigênio de 24 a 27 Tabela 121 Elétrons doados para o complexo II do succinato e para a NADHdesidrogenase externa geram valores na faixa de 16 a 18 enquanto elé trons doados diretamente à citocromo c oxidase complexo IV via carregadores artificiais de elétrons geram valores de 08 a 09 Resultados como esses para mitocôndrias tanto vegetais quanto animais levaram ao conceito geral de que existem três locais de conservação de energia ao longo da cadeia de transporte de elétrons nos complexos I III e IV As razões ADPO experimentais aproximamse bas tante dos valores calculados com base no número de H bombeados pelos complexos I III e IV e no custo de 4 H para sintetizar um ATP ver próxima seção e Tabela 121 Por exemplo os elétrons de NADH externo passam ape nas pelos complexos III e IV de modo que um total de 6 H é bombeado gerando 15 ATP quando não é usada a rota alternativa de oxidase O mecanismo da síntese mitocondrial de ATP tem como base a hipótese quimiosmótica descrita no Capítu lo 7 que foi inicialmente proposta em 1961 pelo ganhador do prêmio Nobel Peter Mitchell como um mecanismo ge ral de conservação de energia através de membranas bio lógicas De acordo com a hipótese quimiosmótica a orien tação dos carregadores de elétrons dentro da membrana mitocondrial interna permite a transferência de prótons através da membrana interna durante o fluxo de elétrons ver Figura 128 Como a membrana mitocondrial interna é altamente impermeável a prótons um gradiente eletroquímico de prótons pode se formar Como discutido nos Capítulos 6 e 7 a energia livre associada com a formação de um gradien te eletroquímico de prótons Δμ H também referida como força motriz de prótons Δp quando expressa em unidades de volts é composta de um componente potencial elétrico transmembrana ΔE e um componente potencial químico ΔpH de acordo com a seguinte equação aproximada Δp ΔE 59ΔpH a 25C em que ΔE Edentro Efora e ΔpH pHdentro pHfora ΔE resulta da distribuição assimétrica de uma espécie carre gada H e outros íons através da membrana e ΔpH é devi do à diferença na concentração de H através da membrana Como os prótons são translocados da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana o ΔE resultante através da membrana mitocondrial interna tem um valor negativo Sob condições normais o ΔpH é de cerca de 05 e o ΔE é de cerca de 02 V Como a membrana tem apenas 7 a 8 nm de espessura esse ΔE corresponde a um campo elétrico de pelo menos 25 milhões de Vm ou 10 vezes o campo gerado por um relâmpago durante uma tempestade enfatizando as enormes forças envolvidas no transporte de elétrons Como esta equação mostra ambos ΔE e ΔpH con tribuem para a força motriz de prótons nas mitocôndrias vegetais embora o ΔpH constitua a menor parte prova velmente devido à grande capacidade de tamponamen to tanto do citosol como da matriz que impede grandes variações de pH Essa situação contrasta com aquela no cloroplasto na qual quase toda a força motriz de prótons na membrana tilacoide é devida ao ΔpH ver Capítulo 7 O aporte de energia livre exigido para gerar Δμ H provém da energia livre liberada durante o transporte de elétrons Não está completamente entendido em todos os casos como esse transporte é acoplado à translocação de prótons Devido à baixa permeabilidade condutância da membrana interna a prótons o gradiente eletroquímico de prótons pode ser utilizado para realizar trabalho quí mico síntese de ATP O Δμ H está acoplado à síntese de ATP por um complexo proteico adicional associado com a membrana interna a FoF1ATPsintase N de T Os subscritos dentro e fora referemse à matriz mito condrial e ao espaço intermembrana respectivamente TABELA 121 Razões ADPO teóricas e experimentais em mitocôndrias vegetais isoladas Elétrons alimentando Razão ADPO Teóricaa Experimental Complexo I 25 2427 Complexo II 15 1618 NADHdesidrogenase externa 15 1618 Complexo IV 10b 0809 aAdmitese que os complexos I III e IV bombeiam 4 4 e 2 H por 2 elétrons respectivamente que o custo de sintetizar 1 ATP e exportálo para o citosol é 4 H e que as rotas não fosforilativas não estão ativas bA citocromo c oxidase complexo IV bombeia somente 2 prótons Entretanto 2 elétrons movemse da superfície externa da membrana interna onde os elétrons são doados através da membrana interna para o lado de dentro o lado matricial Como resultado 2 H são consumidos no lado da matriz Isso significa que o movimento líquido de H e cargas é equivalente ao movimento de um total de 4 H resultando em uma razão ADPO de 10 Taiz12indd 333 Taiz12indd 333 27102016 145443 27102016 145443 334 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A FoF1ATPsintase também chamada de complexo V consiste em dois componentes principais Fo e F1 ver Fi gura 128 Fo subscrito o para sensível à oligomicina é um complexo proteico integral de membrana de pelo menos três polipeptídeos diferentes Eles formam o ca nal pelo qual os prótons atravessam a membrana interna O outro componente F1 é um complexo proteico periféri co de membrana composto de pelo menos cinco subuni dades diferentes e contém o sítio catalítico para conversão de ADP e Pi em ATP Esse complexo é ligado ao lado ma tricial de Fo A passagem de prótons através do canal é acoplada ao ciclo catalítico do componente F1 da ATPsintase permi tindo a síntese continuada de ATP e o uso simultâneo do Δμ H Para cada ATP sintetizado 3 H passam pelo com ponente Fo vindos do espaço intermembrana para a ma triz ao longo de um gradiente eletroquímico de prótons Uma estrutura de alta resolução para o componente F1 da ATPsintase de mamíferos forneceu evidência para um modelo em que uma parte de Fo gira em relação a F1 para acoplar o transporte de H para a síntese de ATP ver Tópico 124 na internet A estrutura e a função da CF0CF1ATPsintase em cloroplastos são similares àquelas da ATPsintase mitocondrial ver Capítulo 7 O funcionamento do mecanismo quimiosmótico da síntese de ATP tem várias implicações Primeiro o verda deiro sítio de formação do ATP sobre a membrana mito condrial interna é a ATPsintase e não os complexos I III ou IV Esses complexos servem como sítios de conservação de energia enquanto o transporte de elétrons está acopla do à geração de um Δμ H A síntese de ATP diminui o Δμ H e em consequência sua restrição sobre os complexos de transporte de elétrons O transporte de elétrons é portan to estimulado por um grande suprimento de ADP A hipótese quimiosmótica também explica o me canismo de ação dos desacopladores Estes constituem uma ampla gama de compostos químicos artificiais não relacionados incluindo 24dinitrofenol e ptrifluorome toxicarbonilcianeto fenilidrazona FCCP que diminuem a síntese mitocondrial de ATP mas que normalmente es timulam a taxa de transporte de elétrons ver Tópico 125 na internet Todos esses compostos desacopladores tor nam a membrana interna permeável a prótons o que im pede o acúmulo de um Δμ H suficientemente grande para gerar síntese de ATP ou restringir o transporte de elétrons Os transportadores trocam substratos e produtos O gradiente eletroquímico de prótons também desempe nha um papel no movimento de ácidos orgânicos do ci clo do ácido cítrico e dos substratos e produtos da síntese de ATP para dentro e para fora das mitocôndrias Figura 1210 Embora o ATP seja sintetizado na matriz mitocon drial a maioria é utilizada fora da mitocôndria de modo que se torna necessário um mecanismo eficiente para mo ver ADP para dentro e ATP para fora da organela O transportador ADPATP adenina nucleotídeo rea liza a permuta ativa de ADP e ATP através da membrana interna O movimento do ATP4 mais negativamente car regado para fora da mitocôndria em troca de ADP3 ou seja uma carga negativa líquida para fora é acionado pelo gradiente de potencial elétrico ΔE positivo do lado de fora gerado pelo bombeamento de prótons A absorção de fosfato inorgânico Pi envolve uma proteína de transporte ativo de fosfato que usa o compo nente de potencial químico ΔpH da força motriz de pró tons para acionar a permuta eletroneutra de Pi para den tro por OH para fora Desde que um ΔpH seja mantido através da membrana interna o conteúdo de Pi dentro da matriz permanece alto Raciocínio similar aplicase à ab sorção de piruvato a qual é acionada pela troca eletroneu tra de piruvato por OH levando à absorção continuada de piruvato do citosol ver Figura 1210 O custo energético total de absorção de um fosfato e de um ADP para a matriz e de exportação de um ATP é o movimento de um H do espaço intermembrana para a matriz Mover um OH para fora em troca de Pi é equivalente a um H para dentro de modo que essa permuta ele troneutra consome o ΔpH mas não o ΔE Mover uma carga negativa para fora ADP3 entrando na matriz em troca de ATP4 saindo é o mesmo que mover uma carga positiva para dentro de modo que esse transporte reduz apenas o ΔE Esse próton que aciona a troca de ATP por ADP e Pi de veria ser também incluído no cálculo do custo de síntese de um ATP Assim o custo total é de 3 H usados pela ATPsintase mais 1 H para a troca através da membrana ou um total de 4 H A membrana interna também contém transportadores para ácidos dicarboxílicos malato ou succinato trocados por Pi 2 e para ácidos tricarboxílicos citrato aconitato ou isocitrato trocados por ácidos dicarboxílicos ver Figura 1210 e Tópico 125 na internet A respiração aeróbica gera cerca de 60 moléculas de trifosfato de adenosina por molécula de sacarose A oxidação completa de uma molécula de sacarose leva à formação líquida de Oito moléculas de ATP por fosforilação em nível de substrato quatro durante a glicólise e quatro no ciclo do ácido cítrico Quatro moléculas de NADH no citosol Dezesseis moléculas de NADH mais quatro molécu las de FADH2 via succinato desidrogenase na matriz mitocondrial Com base nos valores teóricos de ADPO ver Tabela 121 podese estimar que 52 moléculas de ATP serão geradas por molécula de sacarose pela fosforilação oxidativa A oxidação aeróbica completa da sacarose incluindo a fosforilação em nível de substrato resulta em um volume aproximado de 60 ATPs sintetizados por molécula de sacarose Tabela 122 Taiz12indd 334 Taiz12indd 334 27102016 145443 27102016 145443 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 335 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H O componente potencialelétrico ΔE do gradiente de prótons aciona a troca eletrogênica de ADP do citosol por ATP da matriz mitocondrial via transportador de adenina nucleotídeo O ácido tricarboxílico citrato é trocado por um ácido dicarboxílico como o malato ou o succinato A absorção de ácidos dicarboxílicos como malato ou succinato em troca de um íon fosfato é mediada pelo transportador de dicarboxilato Uma proteína desacopladora ativa ou desacopladores químicos artificiais permite o rápido movimento de prótons através da membrana interna impedindo o acúmulo do gradiente eletroquímico de prótons e reduzindo a taxa de síntese de ATP mas não a taxa de transporte de elétrons O ΔpH aciona a absorção eletroneutra de Pi através do transportador de fosfato A energia livre liberada pela dissipação do gradiente de prótons é acoplada à síntese de ATP a partir de ADP e Pi via muitos complexos FoF1ATPsintase que atravessam a membrana interna A absorção de piruvato em troca de um íon hidroxila é mediada pelo transportador de piruvato Transportador de piruvato OH OH Transportador de fosfato I II III IV Complexos de transporte de elétrons ATPsintase complexo V Desacopladores Proteína desacopladora Transportador de dicarboxilato Baixo H Alto Transportador de adenina nucleotídeo F1 Fo Malato2 ADP3 ATP4 ADP3 Pi Pi2 Pi Piruvato ATP4 Membrana interna Espaço intermembrana Poro Membrana externa CITOSOL MATRIZ pH 75 pH 80 Citrato2 Malato2 F1 F1 Fo Fo Transportador de tricarboxilatos H Figura 1210 Transporte transmembrana em mitocôndrias ve getais Um gradiente eletroquímico de prótonsΔμ H consistindo em um componente potencialelétrico ΔE 200 mV negativo den tro e um componente potencialquímico ΔpH alcalino dentro é estabelecido através da membrana mitocondrial interna duran te o transporte de elétrons O Δμ H é usado por transportadores específicos que movem metabólitos através da membrana interna De Douce 1985 Taiz12indd 335 Taiz12indd 335 27102016 145443 27102016 145443 336 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Usando 50 kJ mol1 como a energia livre real de forma ção de ATP in vivo verificase que cerca de 3010 kJ mol1 de energia livre são conservados na forma de ATP por mol de sacarose oxidada durante a respiração aeróbica Essa quantidade representa em torno de 52 da energia livre padrão disponível para a oxidação completa da sacarose o resto é perdido como calor Ela representa também uma enorme melhoria em relação ao metabolismo fermentati vo no qual apenas 4 de energia disponível na sacarose são convertidos em ATP Diversas subunidades dos complexos respiratórios são codificadas pelo genoma mitocondrial O sistema genético das mitocôndrias vegetais difere não somente daquele do núcleo e do cloroplasto mas também daquele encontrado nas mitocôndrias de animais protis tas ou fungos Mais proeminentemente os processos en volvendo RNA diferem entre as mitocôndrias vegetais e as mitocôndrias da maioria dos demais organismos ver Tópico 126 na internet As principais diferenças são en contradas em Splicing do RNA p ex íntrons especiais estão pre sentes Edição de RNA na qual a sequência de nucleotídeos é alterada Sinais que regulam a estabilidade de RNA Tradução as mitocôndrias vegetais usam o código ge nético universal enquanto as mitocôndrias em outros eucariotos têm códons desviantes O tamanho do genoma mitocondrial de plantas varia substancialmente de 180 a quase 11 mil pares de quiloba ses kbp de kilobase pairs mesmo entre espécies intima mente relacionadas sendo sempre maior que o genoma compacto e uniforme de 16 kbp encontrado nas mitocôn drias de mamíferos As diferenças de tamanho são devidas principalmente à presença de DNA não codificante in cluindo numerosos íntrons no DNA mitocondrial mtDNA de plantas O mtDNA de mamíferos codifica somente 13 proteínas em comparação com as 35 proteínas conhecidas codificadas pelo mtDNA de Arabidopsis Tanto as mitocôn drias de vegetais quanto as de mamíferos contêm genes para rRNAs e tRNAs contudo mais importante vários ge nes nucleares de tRNA são necessários para fornecer o con junto completo de tRNA O mtDNA vegetal codifica várias subunidades de complexos respiratórios I a V bem como as proteínas que tomam parte na biogênese de citocromos As subunidades codificadas pelas mitocôndrias são essenciais para a atividade dos complexos respiratórios Exceto pelas proteínas codificadas pelo mtDNA todas as proteínas mitocondriais possivelmente mais de 2 mil são codificadas pelo DNA nuclear incluindo todas as proteí nas do ciclo do ácido cítrico Essas proteínas mitocondriais codificadas pelo núcleo são sintetizadas por ribossomas ci tosólicos e importadas via translocadores das membranas mitocondriais externas e internas Portanto a fosforilação oxidativa é dependente da expressão de genes localizados em dois genomas separados que devem ser coordenados para permitir a síntese de novos complexos respiratórios Enquanto a expressão de genes nucleares para proteí nas mitocondriais é regulada da mesma maneira que ou tros genes nucleares pouco se conhece sobre a regulação de genes mitocondriais Os genes podem ser infrarregula dos downregulated por uma redução no número de cópias para o segmento de mtDNA que contém o gene Além dis so os promotores gênicos no mtDNA são de vários tipos e mostram diferentes atividades de transcrição Entretanto a biogênese de complexos respiratórios parece ser controlada por mudanças na expressão das subunidades codificadas pelo núcleo a coordenação com o genoma mitocondrial se realiza principalmente em nível de póstradução O genoma mitocondrial é especialmente importante para o desenvolvimento polínico Rearranjos gênicos que ocorrem naturalmente no mtDNA levam à chamada este rilidade masculina citoplasmática CMS cytoplasmic male sterility Essa característica leva ao desenvolvimento anor mal do pólen pela indução da morte celular programada prematura ver Ensaio 125 na internet em plantas de resto não afetadas As características da CMS são usadas na reprodução de diversas plantas cultivadas para produ zir linhagens de sementes híbridas As plantas têm diversos mecanismos que reduzem a produção de ATP Como visto uma complexa maquinaria é necessária para a conservação da energia na fosforilação oxidativa Por isso talvez seja surpreendente que as mitocôndrias vegetais tenham várias proteínas funcionais que reduzem essa efi ciência ver Tópico 123 na internet As plantas são prova velmente menos limitadas pelo suprimento de energia luz solar que por outros fatores no ambiente p ex acesso à TABELA 122 Produção máxima de ATP citosólico a partir da oxidação completa de sacarose a CO2 via glicólise aeróbica e ciclo do ácido cítrico Reação parcial ATP por sacarosea Glicólise 4 fosforilações em nível de substrato 4 4 NADH 4 15 6 Ciclo do ácido cítrico 4 fosforilações em nível de substrato 4 4 FADH2 4 15 6 16 NADH 16 25 40 Total 60 Fonte Adaptada de Brand 1994 Nota Admitese que o NADH citosólico é oxidado pela NADH desidrogenase externa Assumese que outras rotas não fosforilativas p ex a oxidase alternativa não estão comprometidas aCalculado usando os valores teóricos de ADPO da Tabela 121 Taiz12indd 336 Taiz12indd 336 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 337 água e a nutrientes Como consequência para elas a fle xibilidade metabólica pode ser mais importante do que a eficiência energética Nas próximas subseções serão discutidos o papel dos três mecanismos não fosforilativos e a possível utilidade deles na vida da planta a oxidase alternativa a proteína desacopladora e a NADPHdesidrogenase insensível à rotenona A OXIDASE ALTERNATIVA A maioria das plantas exibe uma capacidade para respiração resistente ao cianeto compa rável à capacidade da rota da citocromo c oxidase sensível ao cianeto A captura de oxigênio resistente ao cianeto é catali sada pela oxidase alternativa ver Figura 129 e Tópico 123 na internet Os elétrons saem da cadeia principal de transporte de elétrons para essa rota alternativa no nível do pool de ubi quinona ver Figura 128 A oxidase alternativa o único componente da rota alternativa catalisa uma redução com quatro elétrons de oxigênio para água e é inibida especifi camente por vários compostos em especial o ácido salicil hidroxâmico SHAM Quando os elétrons passam à rota alternativa a partir do pool de ubiquinona dois locais de bombeamento de prótons nos complexos III e IV são dei xados de lado Como não existe um local de conservação de energia na rota alternativa entre a ubiquinona e o oxigênio a energia livre que normalmente seria conservada na forma de ATP é perdida como calor quando os elétrons são des viados por essa rota Como um processo que aparentemente desperdiça tan ta energia como a rota alternativa pode contribuir para o metabolismo vegetal Um exemplo da utilidade funcional da oxidase alternativa é sua atividade nas chamadas flores termogênicas de várias famílias de plantas por exemplo o lírio vodu Sauromatum guttatum ver Ensaio 126 na inter net Um pouco antes da polinização partes da inflorescên cia exibem uma dramática elevação na taxa de respiração causada por um grande aumento na expressão da oxida se alternativa ou proteína desacopladora dependendo da espécie Como resultado a temperatura da parte superior do apêndice aumenta até 25oC acima da temperatura am biente Durante essa extraordinária explosão de produção de calor certas aminas indóis e terpenos são volatilizados e a planta portanto exala um odor pútrido que atrai inse tos polinizadores O ácido salicílico foi identificado como o sinal iniciador desse evento termogênico no lírio vodu e posteriormente foi descoberto que também está envolvido na defesa de plantas a patógenos ver Capítulo 23 Na maioria das plantas as taxas respiratórias são bai xas demais para gerar calor suficiente para aumentar sig nificativamente a temperatura Quais outros papéis são desempenhados pela rota alternativa Para responder a essa pergunta devese considerar a regulação da oxidase alternativa Sua transcrição normalmente é induzida de forma específica por exemplo por vários tipos de estresses abióticos e bióticos A atividade da oxidase alternativa que funciona como um dímero é regulada pela oxidaçãoredu ção reversível de uma ponte dissulfeto intermolecular pelo nível de redução do pool de ubiquinona e pelo piruvato Os dois primeiros fatores asseguram que a enzima seja mais ativa sob condições redutoras enquanto o último fator asse gura que a enzima tenha elevada atividade quando houver abundância de substrato para o ciclo do ácido cítrico ver Tópico 123 na internet Se a taxa respiratória exceder a demanda celular por ATP ie se os níveis de ADP estão muito baixos o nível de redução na mitocôndria será alto e a oxidase alternati va será ativada Portanto a oxidase alternativa possibilita à mitocôndria ajustar suas taxas relativas de produção de ATP e de síntese de esqueletos de carbono para uso em reações biossintéticas Outra possível função da rota alternativa está na res posta das plantas a uma diversidade de estresses defi ciência de fosfato frio seca estresse osmótico e assim por diante muitos dos quais podem inibir a respiração mito condrial ver Capítulo 24 Em resposta ao estresse a cadeia de transporte de elétrons leva ao aumento na formação de espécies reativas de oxigênio EROs inicialmente superó xido mas também peróxido de hidrogênio e radical hidro xila que atuam como um sinal para a ativação da expressão da oxidase alternativa Por meio da drenagem de elétrons do pool de ubiquinona ver Figura 128 a rota alternativa evita a superredução limitando assim a produção de EROs e minimizando os efeitos prejudiciais do estresse sobre a respiração ver Ensaio 127 na internet A suprarregulação upregulation da oxidase alternativa é um exemplo de regu lação retrógrada na qual a expressão gênica nuclear respon de a alterações no status de organelas Figura 1211 A PROTEÍNA DESACOPLADORA Uma proteína encon trada na membrana interna das mitocôndrias de mamífe ros a proteína desacopladora pode aumentar drastica mente a permeabilidade da membrana a prótons e assim atuar como um desacoplador Como resultado são gerados menos ATP e mais calor A produção de calor parece ser uma das principais funções da proteína desacopladora em células de mamíferos Por muito tempo se pensou que a oxidase alternativa em plantas e a proteína desacopladora em mamíferos fos sem simplesmente duas maneiras diferentes de atingir o mesmo objetivo Houve surpresa portanto quando uma proteína similar à proteína desacopladora foi descoberta em mitocôndrias de plantas Essa proteína é induzida por estresse e estimulada por EROs Em mutantes silenciados knockout a assimilação fotossintética de carbono e o cres cimento foram reduzidos coerentemente com a interpreta ção de que a proteína desacopladora assim como a oxidase alternativa funciona para impedir a superredução da ca deia de transporte de elétrons e a formação de EROs ver Tópico 123 na internet e Ensaio 127 na internet NADHDESIDROGENASES INSENSÍVEIS À ROTENO NA Múltiplas desidrogenases insensíveis à rotenona oxidando NADH ou NADPH são encontradas em mito Taiz12indd 337 Taiz12indd 337 27102016 145444 27102016 145444 338 Unidade II Bioquímica e Metabolismo côndrias de plantas ver Figura 129 e Tópico 123 na in ternet A NADHdesidrogenase interna insensível à ro tenona NDinNADH pode trabalhar como um desvio não bombeador de prótons quando o complexo I está so brecarregado O complexo I tem uma afinidade mais alta por NADH Km dez vezes menor do que NDinNADH Em níveis mais baixos de NADH na matriz normalmente quando ADP está disponível o complexo I domina en quanto quando o ADP está limitando o processo os ní veis de NADH aumentam e a NDinNADH é mais ativa A NDinNADH e a oxidase alternativa provavelmente reciclam o NADH em NAD para manter a atividade da rota Uma vez que o poder redutor pode ser transferido da matriz para o citosol pela troca de diferentes ácidos orgânicos as NADHdesidrogenases externas podem ter funções de desvio semelhantes àquelas da NDinNADH Tomadas em conjunto essas NADHdesidrogenases e as NADPHdesidrogenases provavelmente tornam a respi ração das plantas mais flexível e permitem o controle da homeostase redox específica de NADH e NADPH nas mi tocôndrias e no citosol ver Figura 1211 O controle da respiração mitocondrial em curto prazo ocorre em diferentes níveis Os substratos para a síntese de ATP ADP e Pi parecem ser os reguladoreschave em curto prazo das taxas de gli cólise no citosol e do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa nas mitocôndrias Em todos os três estágios da respiração há pontos de controle aqui é apresentado ape Expressão gênica da oxidase alternativa Espécies reativas de oxigênio Ácido ascórbico NADPH NADP Sistemas de defesa ao estresse NADH NAD Prolina ATPADP Malato oxalacetato Citrato 2oxoglutarato Glicina serina Cadeia de transporte de elétrons Metabolismo mitocondrial de carbono MITOCÔNDRIA Metabolismo de carbono central Figura 1211 Interações metabólicas entre a mitocôndria e o cito sol A atividade mitocondrial pode influenciar os níveis citosólicos de moléculas redox e energéticas envolvidas na defesa ao estresse e no metabolismo central de carbono como os processos de crescimento e fotossíntese Uma distinção exata entre a defesa ao estresse e o me tabolismo de carbono não pode ser feita pois eles têm componentes em comum As setas indicam influências causadas por mudanças na síntese mitocondrial p ex espécies reativas de oxigênio EROs ATP ou ácido ascórbico ou degradação p ex NADPH prolina ou glici na A ativação da expressão genes nucleares mediada por EROs para a oxidase alternativa é um exemplo de regulação retrógrada PDH Inativa PDH Ativa H2O PDH quinase PDH fosfatase Piruvato CoA NAD AcetilCoA CO2 NADH H Efeito sobre a atividade da PDH Ativação Inibe a quinase Inibe a quinase Estimula a fosfatase Mecanismo Inibe a PDH Estimula a quinase Inibe a PDH Estimula a quinase Inibe a PDH Estimula a quinase Piruvato ADP Mg2 ou Mn2 Inativação NADH AcetilCoA NH4 ATP ADP P Pi Figura 1212 Regulação metabólica da atividade da piruvato desidrogenase PDH diretamente ou por fosforilação reversível Os metabólitos do início a montante upstream e do final a ju sante downstream regulam a atividade da PDH por ações diretas sobre a própria enzima ou pela regulação de sua proteína quinase ou proteína fosfatase nas um pequeno panorama geral de algumas característi cas importantes do controle respiratório O sítio de regulação póstradução mais bem caracte rizado do metabolismo respiratório mitocondrial é o com plexo piruvato desidrogenase que é fosforilado por uma proteína quinase reguladora e desfosforilado por uma pro teína fosfatase A piruvato desidrogenase encontrase ina tiva no estado fosforilado e a quinase reguladora é inibida pelo piruvato permitindo a atividade da enzima quan do o substrato está disponível Figura 1212 A piruvato desidrogenase forma o ponto de entrada do ciclo do ácido cítrico de modo que essa regulação ajusta a atividade do ciclo à demanda celular Taiz12indd 338 Taiz12indd 338 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 339 As tiorredoxinas controlam muitas enzimas pela di merização redox reversível de resíduos de cisteína ver Ca pítulo 8 Numerosas enzimas mitocondriais representan do quase todas as rotas são potencialmente modificadas por tiorredoxinas Embora o mecanismo detalhado não tenha sido elucidado ainda é provável que o status redox mitocondrial exerça um importante controle sobre os pro cessos respiratórios As oxidações do ciclo do ácido cítrico e subsequen temente a respiração são controladas de modo dinâmico pelo nível celular de nucleotídeos de adenina À medida que a demanda celular por ATP no citosol diminui em re lação à taxa de síntese de ATP nas mitocôndrias menos ADP está disponível e a cadeia de transporte de elétrons opera em uma taxa reduzida ver Figura 1210 Essa redu ção na atividade poderia ser sinalizada para as enzimas do ciclo do ácido cítrico por uma elevação de NADH na matriz que inibe a atividade de várias desidrogenases do ciclo do ácido cítrico O acúmulo de intermediários do ciclo do ácido cítrico como o citrato e de seus derivados como o glutamato inibe a ação da piruvato quinase citosólica Isso aumenta a concentração de PEP citosólico que por sua vez reduz a taxa de conversão da frutose6fosfato em frutose16 bifosfato inibindo assim a glicólise Em resumo as taxas respiratórias das plantas são con troladas alostericamente de baixo para cima pelo nível ce lular de ADP Figura 1213 O ADP regula inicialmente a taxa de transferência de elétrons e a síntese de ATP que por sua vez regula a atividade do ciclo do ácido cítrico a qual finalmente regula as taxas das reações glicolíticas Esse controle de baixo para cima permite que as rotas respiratórias do carbono se ajustem à demanda por unida des estruturais biossintéticas aumentando assim a flexibi lidade respiratória A respiração é fortemente acoplada a outras rotas A glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato e o ciclo do ácido cítrico são ligados a várias outras importantes rotas metabólicas algumas das quais serão tratadas mais detalhadamente no Apêndice 4 na internet As rotas res piratórias produzem os constituintes fundamentais para a síntese de uma ampla diversidade de metabólitos vegetais incluindo aminoácidos lipídeos e compostos relacionados isoprenoides e porfirinas Figura 1214 De fato boa parte do carbono reduzido que é metabolizado na glicólise e no ciclo do ácido cítrico é desviada para fins biossintéticos e não oxidada a CO2 As mitocôndrias também estão integradas à rede redox celular Variações no consumo ou na produção de compostos redox ou transportadores de energia como NADPH e ácidos orgânicos provavelmente irão afetar as rotas metabólicas no citosol e nos plastídios De impor tância especial é a síntese do ácido ascórbico uma molé cula central do equilíbrio redox e na defesa ao estresse em plantas pela cadeia de transporte de elétrons ver Figura 1211 As mitocôndrias também realizam etapas na bios síntese de coenzimas necessárias para muitas enzimas metabólicas em outros compartimentos celulares ver En saio 128 na internet Malato Oxalacetato Piruvato Fosfoenolpiruvato Frutose16bifosfato Frutose6fosfato Citrato Isocitrato 2oxoglutarato AcetilCoA Ciclo do ácido cítrico Cadeia de transporte de elétrons ATP ADP NADH NAD Pi Figura 1213 Modelo de regulação de baixo para cima bottomup da respiração vegetal Diversos substratos para a respiração p ex ADP estimulam enzimas nas etapas iniciais das rotas setas verdes Em contraste a acumulação de produtos p ex ATP inibe as reações a montante linhas vermelhas de uma maneira gradativa Por exemplo o ATP inibe a cadeia de transporte de elétrons levando a uma acumulação de NADH O NADH inibe as enzimas do ciclo do ácido cítrico como a isocitratodesidrogenase e a 2oxoglutaratodesidrogenase Os in termediários do ciclo do ácido cítrico como o citrato inibem enzimas metaboliza doras do PEP no citosol Por fim o PEP inibe a conversão de frutose6fosfato em frutose16bifosfato e restringe o fluxo de carbono para a glicólise Desse modo a respiração pode ser regulada para cima up ou para baixo down em resposta a demandas variáveis por qualquer um de seus produtos ATP e ácidos orgânicos Taiz12indd 339 Taiz12indd 339 27102016 145444 27102016 145444 340 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Respiração em plantas e em tecidos intactos Muitos estudos relevantes sobre a respiração vegetal e a sua regulação foram desenvolvidos em organelas isoladas e em extratos livres de células de tecidos vegetais Porém como esse conhecimento se relaciona à função da planta como um todo em condições naturais ou agrícolas Nesta seção são examinadas a respiração e a função mi tocondrial no contexto da planta inteira sob uma diversida de de condições Primeiro é explorado o que acontece quan do órgãos verdes são expostos à luz respiração e fotossíntese operam de maneira simultânea e são funcionalmente inte gradas na célula A seguir são discutidas as taxas de respira ção em diferentes tecidos as quais podem estar sob controle do desenvolvimento Finalmente é analisada a influência de vários fatores ambientais sobre taxas respiratórias As plantas respiram aproximadamente metade da produção fotossintética diária Muitos fatores podem afetar a taxa de respiração de plan tas intactas ou de seus órgãos individuais Entre os fato res relevantes estão a espécie e o hábito de crescimento da planta o tipo e a idade do órgão específico e variáveis ambientais como luz concentração externa de O2 e CO2 ADP ATP NAD NADP FMN CoA Citocininas Alcaloides Flavonoides Lignina Triptofano Tirosina Fenilalanina Proteínas Aspartato Piruvato Alanina AcetilCoA Oxalacetato Ciclo do ácido cítrico Nucleotídeos Ácidos nucleicos Ácido indolacético auxina Ácido chiquímico Eritrose4fosfato Pentose fosfato Hexose fosfato Celulose Gliceraldeído3fosfato Fosfoenolpiruvato Dihidroxiacetona fosfato Glicerol3fosfato Lipídeos e substâncias relacionadas Glutamato Outros aminoácidos Citrato Isocitrato Malato Fumarato Succinato 2oxoglutarato Proteínas Ácidos graxos Giberelinas Carotenoides Esteróis Ácido abscísico Clorofilas Ficocianinas Fitocromo Citocromo Catalase Sacarose Glicólise Rota das pentoses fosfato Figura 1214 A glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfa to e o ciclo do ácido cítrico contribuem com precursores para vá rias rotas biossintéticas em plantas As rotas mostradas ilustram a extensão com a qual a biossíntese vegetal depende do fluxo de carbono por meio dessas rotas e enfatizam o fato de que nem todo o carbono que entra na rota glicolítica é oxidado a CO2 temperatura e suprimento de nutrientes e água ver Capí tulo 24 Pela medição de diferentes isótopos de oxigênio é possível medir in vivo as atividades da oxidase alternativa e da citocromo c oxidase simultaneamente Portanto sabe mos que uma parte significativa da respiração na maioria dos tecidos se realiza pela rota alternativa desperdiçadora de energia ver Ensaio 129 na internet As taxas respiratórias da planta inteira em particular quando consideradas com base na matéria fresca em geral são menores do que as taxas respiratórias encontradas em tecidos animais Essa diferença é devida principalmente à presença nas células vegetais de um grande vacúolo e uma parede celular nenhum deles contendo mitocôndrias En tretanto as taxas respiratórias em alguns tecidos vegetais são tão altas quanto aquelas observadas em tecidos ani mais respirando ativamente assim o processo respiratório em plantas não é inerentemente mais lento do que em ani mais Na verdade mitocôndrias vegetais isoladas respiram tão ou mais rapidamente que mitocôndrias de mamíferos Taiz12indd 340 Taiz12indd 340 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 341 A contribuição da respiração para a economia geral de carbono da planta pode ser substancial Enquanto apenas os tecidos verdes fotossintetizam todos os tecidos res piram e fazem isso 24 horas por dia Mesmo em tecidos fotossinteticamente ativos a respiração se integrada ao longo do dia utiliza uma fração considerável da fotossín tese bruta Um levantamento de várias espécies herbáce as indicou que 30 a 60 do ganho diário de carbono na fotossíntese são perdidos para a respiração embora esses valores tendam a diminuir em plantas mais velhas As ár vores respiram uma fração similar de sua produção fotos sintética mas suas perdas respiratórias aumentam com a idade e com a redução da razão entre tecidos fotossintéti cos e não fotossintéticos Em geral condições de cresci mento desfavoráveis aumentarão a respiração em relação à fotossíntese e assim reduzirão o rendimento global de carbono da planta A respiração opera durante a fotossíntese As mitocôndrias estão envolvidas no metabolismo de folhas fotossintetizantes de várias maneiras A glicina gerada pela fotorrespiração é oxidada à serina na mitocôndria em uma reação que envolve consumo de oxigênio ver Capítulo 8 Ao mesmo tempo as mitocôndrias em tecido fotossintético realizam respiração normal ie pela via do ciclo do ácido cítrico Em relação à taxa máxima de fotossíntese as taxas de respiração mitocondrial medidas em tecidos verdes na luz são muito menores em geral por um fator que varia de 6 a 20 vezes Considerando que as taxas de fotorrespiração geralmente podem alcançar de 20 a 40 da taxa fotossin tética bruta a fotorrespiração diurna é uma fornecedora de NADH para a cadeia respiratória maior do que as rotas res piratórias normais A atividade da piruvato desidrogenase uma das por tas de entrada no ciclo do ácido cítrico decresce na luz a 25 de sua atividade no escuro Coerentemente a taxa ge ral de respiração mitocondrial decresce na luz mas a mag nitude do decréscimo permanece incerta até o momento É claro no entanto que a mitocôndria é um importante fornecedor de ATP ao citosol p ex para desencadear ro tas biossintéticas mesmo em folhas iluminadas Outro papel das rotas respiratórias durante a fotos síntese é suprir precursores para as reações biossintéticas como o 2oxoglutarato necessário à assimilação de nitro gênio ver Figuras 127C e 1214 A formação de 2oxo glutarato também produz NADH na matriz ligando o processo à fosforilação oxidativa ou a atividades não fosfo rilativas da cadeia respiratória Evidência adicional do envolvimento da respiração mitocondrial na fotossíntese foi obtida em estudos com mutantes mitocondriais deficientes nos complexos respi ratórios Comparadas com o tipo selvagem essas plantas têm desenvolvimento foliar e fotossíntese mais lentos porque mudanças nos níveis de metabólitos com atividade redox são comunicadas entre mitocôndrias e cloroplastos afetando negativamente a função fotossintética Tecidos e órgãos diferentes respiram com taxas diferentes Considerase com frequência que a respiração tem dois componentes de magnitude comparável A respiração de manutenção é necessária para sustentar o funcionamen to e a reposição dos tecidos já presentes A respiração de crescimento fornece a energia utilizada na conversão de açúcares em unidades estruturais que produzem os no vos tecidos Uma regra geral útil é que quanto maior a atividade metabólica geral de determinado tecido mais alta é sua taxa respiratória Gemas em desenvolvimento normalmente mostram taxas de respiração muito altas e as taxas de respiração de órgãos vegetativos normalmente decrescem a partir do ponto de crescimento p ex o ápice foliar em dicotiledôneas e a base foliar em monocotiledô neas em direção a regiões mais diferenciadas Um exem plo bem estudado é a folha de cevada em crescimento Em órgãos vegetativos maduros os caules em geral têm as menores taxas de respiração enquanto a respira ção de folhas e raízes varia com a espécie vegetal e com as condições sob as quais as plantas estão se desenvolvendo Uma baixa disponibilidade de nutrientes por exemplo aumenta a demanda de produção de ATP respiratório na raiz Esse crescimento reflete o aumento dos custos ener géticos para a absorção ativa de íons e o crescimento da raiz em busca de nutrientes ver Tópico 127 na internet para uma discussão de como a produtividade agrícola é afetada por mudanças nas taxas respiratórias Quando um órgão vegetal atinge a maturidade sua taxa respiratória permanece mais ou menos constante ou diminui vagarosamente à medida que os tecidos envelhecem e final mente senescem Uma exceção a esse padrão é um acentua do aumento na respiração conhecido como climatérico que acompanha o início do amadurecimento em muitos frutos abacate maçã banana e a senescência em folhas e flores desprendidas Durante o amadurecimento de frutos ocor re a conversão massiva de por exemplo amido banana ou ácidos orgânicos tomate e maçã em açúcares acompanha da por um aumento do hormônio etileno ver Capítulo 21 e da atividade da rota alternativa resistente ao cianeto Tecidos diferentes podem utilizar diferentes substra tos para a respiração Os açúcares dominam amplamen te mas em órgãos específicos outros compostos como ácidos orgânicos em maçãs ou limões maduros e lipídeos em plântulas de girassol ou canola germinando podem fornecer o carbono para a respiração Esses compostos são produzidos com razões entre átomos de carbono e oxigênio diferentes Portanto a razão entre o CO2 liberado e o O2 consumido a qual é chamada de quociente respiratório ou QR varia com o substrato oxidado Lipídeos açúcares e ácidos orgânicos representam uma série crescente de QR porque os lipídeos contêm pouco oxigênio por carbono e os ácidos orgânicos contêm muito A fermentação alcoólica libera CO2 sem consumir O2 de modo que um QR alto é também um indicador de fermentação Desde que o QR Taiz12indd 341 Taiz12indd 341 27102016 145444 27102016 145444 342 Unidade II Bioquímica e Metabolismo pode ser determinado no campo ele é um importante pa râmetro nas análises do metabolismo de carbono em uma larga escala Os fatores ambientais alteram as taxas respiratórias Diversos fatores ambientais podem alterar a operação de rotas metabólicas e mudar as taxas respiratórias Aqui se rão examinados os papéis do oxigênio O2 da temperatu ra e do dióxido de carbono CO2 ambientais OXIGÊNIO O oxigênio pode afetar a respiração vegetal devido a seu papel como substrato no processo respirató rio como um todo A 25C a concentração de equilíbrio do O2 em uma solução aquosa saturada de ar 21 O2 é de cerca de 250 μM O valor do Km para o oxigênio na reação catalisada pela citocromo c oxidase é bem abaixo de 1 μM de modo que não deveria haver dependência aparente da taxa respiratória em relação às concentrações externas de O2 No entanto as taxas respiratórias decrescem se a con centração atmosférica de oxigênio fica abaixo de 5 para órgãos inteiros ou abaixo de 2 a 3 para partes de tecidos Essas observações mostram que o fornecimento de oxigê nio pode impor uma limitação à respiração vegetal O oxigênio difundese lentamente em soluções aquo sas Órgãos compactos como sementes e tubérculos de batata têm um gradiente apreciável de concentração de O2 da superfície para o centro o que restringe a razão ATP ADP Limitações à difusão são ainda mais significativas em sementes com um tegumento espesso ou em órgãos vegetais submersos em água Quando as plantas são cul tivadas hidroponicamente as soluções precisam ser aera das para manter altos níveis de oxigênio nas proximidades das raízes ver Capítulo 5 O problema do suprimento de oxigênio é particularmente importante em plantas cres cendo em solos muito úmidos ou inundados ver também Capítulo 24 Algumas plantas em especial as árvores têm uma dis tribuição geográfica restrita devido à necessidade de manu tenção de um suprimento de oxigênio para suas raízes Por exemplo o corniso Cornus florida e a tulipeira Liriodendron tulipifera conseguem sobreviver apenas em solos bem dre nados e aerados Por outro lado muitas espécies vegetais estão adaptadas a crescer em solos inundados Por exemplo o arroz e o girassol dependem de uma rede de espaços aére os intercelulares denominada aerênquima que se estende desde as folhas às raízes para fornecer uma rota gasosa con tínua para o movimento de oxigênio às raízes alagadas Se essa rota de difusão gasosa ao longo da planta não existisse as taxas de respiração celular de muitas espécies seriam li mitadas por um suprimento insuficiente de oxigênio As limitações no suprimento de oxigênio podem ser mais fortes em árvores com raízes muito profundas e que crescem em solos úmidos Essas raízes precisam sobreviver com metabolismo anaeróbico fermentativo ou desenvolver estruturas que facilitem o movimento de oxigênio até as raí zes Exemplos dessas estruturas são projeções de raízes de nominadas pneumatóforos que se projetam para fora da água e proporcionam uma rota gasosa para a difusão do oxigênio para dentro das raízes Os pneumatóforos são encontrados em Avicennia e Rhizophora representantes arbóreas que cres cem em mangues sob condições de inundação contínua TEMPERATURA A respiração funciona em uma ampla faixa de temperaturas ver Ensaios 126 e 129 na inter net Ela normalmente aumenta com as temperaturas entre 0 e 30C e atinge um platô entre 40 e 50C Em tempera turas maiores ela diminui novamente devido à inativação da maquinaria respiratória O aumento na taxa respiratória para cada aumento de 10C na temperatura comumente é chamado de coeficiente de temperatura Q10 Esse coefi ciente descreve como a respiração responde às mudanças de curto prazo na temperatura e varia com o desenvolvi mento da planta e com fatores externos Em uma escala de tempo mais longa as plantas aclimatamse às baixas temperaturas aumentando sua capacidade respiratória de modo que a produção de ATP possa ser continuada As temperaturas baixas são utilizadas para retardar a respiração póscolheita durante a estocagem de frutos e verduras mas essas temperaturas devem ser ajustadas com cuidado Por exemplo quando tubérculos de batata são armazenados a temperaturas superiores a 10oC a res piração e as atividades metabólicas ancilares são suficien tes para permitir brotação Abaixo de 5oC as taxas respi ratórias e a brotação são reduzidas mas a degradação do amido armazenado e sua conversão em sacarose conferem uma doçura indesejável aos tubérculos Por isso batatas são mais bem armazenadas entre 7 e 9C o que impede a decomposição do amido enquanto minimiza a respiração e a germinação ver também Ensaio 124 na internet DIÓXIDO DE CARBONO É uma prática comum na es tocagem comercial de frutos aproveitarse dos efeitos da concentração de oxigênio e da temperatura na respiração armazenandoo a baixas temperaturas sob concentrações de 2 a 3 de O2 e 3 a 5 de CO2 A temperatura reduzida baixa a taxa respiratória da mesma maneira que o nível reduzido de O2 Níveis baixos de oxigênio em vez de con dições anóxicas são usados para impedir que as tensões de oxigênio nos tecidos baixem ao ponto no qual o metabo lismo fermentativo seja estimulado O dióxido de carbono tem um efeito inibidor direto limitado sobre a respiração em concentrações artificiais altas de 3 a 5 A concentração atmosférica de CO2 atualmente 2014 é de cerca de 400 ppm mas está aumentando como resul tado das atividades humanas e está projetado um aumen to para 700 ppm antes do final do século XXI ver Capítu lo 9 O fluxo de CO2 entre as plantas e a atmosfera pela fotossíntese e a respiração é muito maior que o fluxo de CO2 para a atmosfera causado pela queima de combustí veis fósseis Portanto os efeitos de concentrações elevadas de CO2 na respiração vegetal influenciarão fortemente as N de T Os autores referemse novamente à brotação dos tubérculos Taiz12indd 342 Taiz12indd 342 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 343 futuras mudanças climáticas globais Estudos de labora tório têm mostrado que 700 ppm de CO2 não inibem di retamente a respiração vegetal mas medições em ecossis temas inteiros indicam que a respiração por unidade de biomassa pode diminuir com o aumento nas concentra ções de CO2 O mecanismo por trás desse último efeito ainda não está claro e hoje não é possível prever integral mente a importância potencial das plantas como um dre no para o CO2 antropogênico Metabolismo de lipídeos Enquanto os animais utilizam as gorduras para a armaze nagem de energia as plantas as utilizam para armazenar tanto energia como carbono Gorduras e óleos são for mas importantes de armazenagem de carbono reduzido em muitas sementes incluindo aquelas de espécies agro nomicamente importantes como soja girassol canola amendoim e algodão Os óleos têm uma grande função de armazenagem em muitas plantas não domesticadas que produzem sementes pequenas Alguns frutos como aba cates e azeitonas também armazenam gorduras e óleos Na parte final deste capítulo é descrita a biossíntese de dois tipos de glicerolipídeos os triacilgliceróis as gorduras e os óleos estocados em sementes e os glicerolipídeos polares que formam as bicamadas lipídicas das membranas celu lares Figura 1215 Será visto que a biossíntese de triacil gliceróis e de glicerolipídeos polares requer a cooperação de duas organelas os plastídios e o retículo endoplasmático Será examinado também o processo complexo pelo qual as sementes em germinação obtêm esqueletos de carbono e energia metabólica a partir da oxidação de gorduras e óleos Gorduras e óleos armazenam grandes quantidades de energia As gorduras e os óleos pertencem à classe geral dos lipí deos um grupo estruturalmente diverso de compostos hidrofóbicos solúveis em solventes orgânicos e altamente insolúveis em água Os lipídeos representam uma forma de carbono mais reduzida que os carboi dratos de modo que a oxidação completa de 1 g de gordura ou óleo que contém cerca de 40 kJ de energia pode produzir conside ravelmente mais ATP que a oxidação de 1 g de amido cerca de 159 kJ Por outro lado a biossíntese de lipídeos requer um inves timento correspondentemente grande de energia metabólica Outros lipídeos são importantes para a estrutura e o funcionamento das plantas mas não são utilizados para armazenagem de energia Esses lipídeos abrangem os fosfolipídeos e os galactolipídeos que cons tituem as membranas vegetais bem como os esfingoli pídeos que são também importantes componentes das membranas as ceras que compõem a cutícula protetora que reduz a perda de água de tecidos vegetais expostos e os terpenoides também conhecidos como isoprenoides que incluem os carotenoides envolvidos na fotossíntese e os esteróis presentes em muitas membranas vegetais Os triacilgliceróis são armazenados em corpos lipídicos As gorduras e os óleos existem principalmente na forma de triacilgliceróis acil referese à porção de ácido graxo nos quais as moléculas de ácidos graxos são unidas por ligações ésteres aos três grupos hidroxila do glicerol ver Figura 1215 Os ácidos graxos em plantas normalmente são ácidos carboxílicos de cadeia reta com um número par de átomos de carbono As cadeias de carbono podem ser curtas 12 unidades ou longas 30 ou mais porém mais comumente têm 16 ou 18 carbonos de extensão Os óleos são líquidos à temperatura ambiente principalmente devido à presen ça de ligações duplas carbonocarbono insaturação em seus ácidos graxos componentes as gorduras que têm uma maior proporção de ácidos graxos saturados são sólidas à temperatura ambiente Os principais ácidos graxos nos lipídeos vegetais são mostrados na Tabela 123 As proporções de ácidos graxos nos lipídeos vegetais variam com as espécies vegetais Por exemplo o óleo de amendoim é 9 ácido palmítico 59 ácido oleico e 21 ácido linoleico enquanto o óleo de semente de algodão é 25 ácido palmítico 15 ácido oleico e 55 ácido li noleico A biossíntese desses ácidos graxos será discutida brevemente Na maioria das sementes os triacilgliceróis são ar mazenados no citoplasma das células do cotilédone ou Diacilglicerol DAG Ácido fosfatídico Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Galactolipídeos X H X HPO3 X PO3 X PO3 X galactose Glicerol Triacilglicerol o principal lipídeo armazenado Glicerolipídeo polar CH2 CH2 CH2 CH2 NCH33 NH2 CHOH CH2OH CH2OH HC H2C H2C O O O O O O C C C CH2n CH2n CH2n CH3 CH3 CH3 HC H2C H2C O O O O O C X C CH2n CH2n CH3 CH3 Figura 1215 Características estruturais de triacilgliceróis e glicerolipídeos polares em vege tais superiores Os comprimentos das cadeias de carbono dos ácidos graxos as quais sempre têm um número par de carbonos variam de 12 a 20 mas são em geral de 16 ou 18 Assim o valor de n normalmente é 14 ou 16 Taiz12indd 343 Taiz12indd 343 27102016 145444 27102016 145444 344 Unidade II Bioquímica e Metabolismo endosperma em organelas conhecidas como corpos lipí dicos também denominadas esferossomos ou oleossomos ver Capítulo 1 A membrana dos corpos lipídicos é uma camada única de fosfolipídeos ie uma meia bicamada com as extremidades hidrofílicas dos fosfolipídeos expos tas ao citosol e as cadeias hidrofóbicas de hidrocarbonetos acil voltadas para o interior de triacilglicerol ver Capítulo 1 O corpo lipídico é estabilizado pela presença de proteí nas específicas denominadas oleosinas que cobrem sua superfície externa e impedem que os fosfolipídeos de cor pos lipídicos adjacentes entrem em contato e se fusionem uns aos outros A estrutura singular da membrana de corpos lipídi cos resulta do padrão de biossíntese dos triacilgliceróis A biossíntese de triacilgliceróis é completada por enzimas localizadas nas membranas do retículo endoplasmático RE acumulandose as gorduras resultantes entre duas monocamadas da bicamada da membrana do RE A bica mada intumesce e separase à medida que mais gorduras são adicionadas à estrutura em crescimento e por fim um corpo lipídico maduro desprendese do RE Os glicerolipídeos polares são os principais lipídeos estruturais nas membranas Conforme descrito no Capítulo 1 cada membrana na cé lula é uma bicamada de moléculas anfipáticas ie tendo tanto regiões hidrofílicas quanto hidrofóbicas de lipídeos nas quais um grupo da cabeça polar interage com o am biente aquoso enquanto as cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos formam o núcleo da membrana Esse núcleo hi drofóbico impede a difusão aleatória de solutos entre os compartimentos celulares e desse modo permite que a bioquímica da célula seja organizada Os principais lipídeos estruturais nas membranas são os glicerolipídeos polares ver Figura 1215 nos quais a porção hidrofóbica consiste em duas cadeias de ácidos graxos de 16 ou 18 carbonos esterificadas nas posições 1 e 2 de uma estrutura de glicerol O grupo terminal polar está ligado à posição 3 do glicerol Existem duas categorias de glicerolipídeos polares 1 Gliceroglicolipídeos nos quais os açúcares formam o grupo da cabeça Figura 1216A 2 Glicerofosfolipídeos nos quais o grupo da cabeça contém fosfato Figura 1216B As membranas vegetais possuem lipídeos estruturais adi cionais incluindo esfingolipídeos e esteróis ver Capítulo 15 mas esses são componentes menores Outros lipídeos desempenham papéis específicos na fotossíntese e em ou tros processos Nesse grupo incluemse clorofilas plasto quinona carotenoides e tocoferóis que juntos contabili zam um terço dos lipídeos das folhas A Figura 1216 mostra as nove classes principais de glicerolipídeos nas plantas cada uma delas associada a várias combinações diferentes de ácidos graxos As estru turas mostradas na Figura 1216 ilustram algumas das es pécies moleculares mais comuns As membranas dos cloroplastos que representam 70 dos lipídeos de membrana em tecidos fotossintéticos são dominadas por gliceroglicolipídeos outras membra nas da célula contêm glicerofosfolipídeos Tabela 124 Em tecidos não fotossintéticos os glicerofosfolipídeos são os principais glicerolipídeos de membrana A biossíntese de ácidos graxos consiste em ciclos de adição de dois carbonos A biossíntese de ácidos graxos envolve a condensação cíclica de unidades de dois carbonos derivadas da acetil CoA Em plantas os ácidos graxos são sintetizados prin cipalmente nos plastídios enquanto em animais eles são sintetizados principalmente no citosol Acreditase que as enzimas da rota biossintética são mantidas juntas em um complexo que é coletivamente conhecido como ácido graxo sintase O complexo provavel mente permite que a série de reações ocorra de maneira mais eficiente do que ocorreria se as enzimas fossem fi TABELA 123 Ácidos graxos comuns em tecidos de vegetais superiores Nomea Estrutura Ácidos graxos saturados Ácido láurico 120 CH3CH210CO2H Ácido mirístico 140 CH3CH212CO2H Ácido palmítico 160 CH3CH214CO2H Ácido esteárico 180 CH3CH216CO2H Ácidos graxos insaturados Ácido oleico 181 CH3CH27CHCHCH27CO2H Ácido linoleico 182 CH3CH24CHCHCH2CHCHCH27CO2H Ácido linolênico 183 CH3CH2CHCHCH2CHCHCH2CHCHCH27CO2H aCada ácido graxo tem uma abreviatura numérica O número antes dos dois pontos representa o número total de carbonos o número depois dos dois pontos é o número de ligações duplas Taiz12indd 344 Taiz12indd 344 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 345 Monogalactosildiacilglicerol 183 163 Glicosilceramida Sulfolipídeo sulfoquinovosildiacilglicerol 183 160 Fosfatidilglicerol 183 160 Fosfatidilcolina 160 183 Fosfatidiletanolamina 160 182 Fosfatidilinositol 160 182 Fosfatidilserina 160 182 Difosfatidilglicerol cardiolipina 182 182 182 182 A Gliceroglicolipídeos B Glicerofosfolipídeos Digalactosildiacilglicerol 160 183 CH2OH OH OH OH O O O O O O CH2OH O O O O O O O O CH2SO3 O O O O O O O O O O CH2OH O P O O O O O P O O O O H3N H2 H2 C C O P O O O O O O O O O O O C C C C C C O OH OH OH H H OH H H OH P O O O H3N H H2 C C O P O O O COO O O O O O P O H2C HC O O O O O O O O O O OH O OH O P O H2C O O H O O O CH3 CH3 HO HO OH OH OH NH OH OH OH OH OH OH H3C H3C H3C N H H H H C O C OH OH OH Figura 1216 Principais classes de glicerolipídeos polares encon trados em membranas vegetais A gliceroglicolipídeos e um esfin golipídeo e B glicerofosfolipídeos Dois de pelo menos seis ácidos graxos diferentes podem ser ligados à estrutura básica de glicerol Uma das espécies moleculares mais comuns é mostrada para cada classe de lipídeos Os números abaixo de cada nome se referem ao número de carbonos número antes dos doispontos e ao número de ligações duplas número após os doispontos Taiz12indd 345 Taiz12indd 345 27102016 145444 27102016 145444 346 Unidade II Bioquímica e Metabolismo sicamente separadas entre si Além disso as cadeias acil em crescimento são ligadas de maneira covalente a uma proteína acídica de baixo peso molecular denominada proteína carregadora de acil ACP acyl carrier protein Quando conjugada à proteína carregadora acil uma ca deia acil é chamada de acilACP A primeira etapa comprometida com a rota ie a primeira etapa específica à síntese de ácidos graxos é a síntese de malonilCoA a partir de acetilCoA e CO2 pela enzima acetilCoAcarboxilase Figura 1217 A estreita re gulação da acetilCoAcarboxilase parece controlar a taxa global de síntese de ácidos graxos A malonilCoA então reage com ACP gerando malonilACP nas quatro etapas seguintes 1 No primeiro ciclo da síntese de ácidos graxos o grupo acetato da acetilCoA é transferido para uma cisteína específica da enzima condensadora 3cetoacilACP sintase e depois combinado com malonilACP para formar acetoacetilACP 2 A seguir o grupo ceto no carbono 3 é removido re duzido pela ação de três enzimas para formar uma nova cadeia acil butirilACP que tem agora quatro carbonos de comprimento ver Figura 1217 3 O ácido graxo de quatro carbonos e outra molécula de malonilACP se tornam então os novos substra tos para a enzima condensadora resultando na adição de outra unidade de dois carbonos à cadeia em cres cimento O ciclo continua até que 16 ou 18 carbonos tenham sido adicionados 4 Alguns 160ACP são liberados da maquinaria da áci do graxosintase mas a maioria das moléculas que são alongadas para 180ACP é de maneira eficiente convertida em 181ACP por uma enzima dessatura se Portanto 160ACP e 180ACP são os principais produtos da síntese de ácidos graxos em plastídios Figura 1218 Os ácidos graxos podem ser submetidos a modificações subsequentes após serem ligados ao glicerol para formar glicerolipídeos Ligações duplas adicionais são inseridas nos ácidos graxos 160 e 181 por uma série de isoenzimas dessaturases Isozimas dessaturases são proteínas integrais de membrana encontradas em cloroplastos e no RE Cada dessaturase insere uma ligação dupla em uma posição es pecífica na cadeia de ácido graxo e as enzimas atuam se quencialmente para formar os produtos finais 183 e 163 Os glicerolipídeos são sintetizados nos plastídios e no retículo endoplasmático Os ácidos graxos sintetizados nos cloroplastos são em seguida utilizados para compor os glicerolipídeos das membranas e dos corpos lipídicos As primeiras etapas na síntese de glicerolipídeos são duas reações de acilação que transferem ácidos graxos da acilACP ou acilCoA para o glicerol3fosfato formando ácido fosfatídico A ação de uma fosfatase específica produz diacilglice rol DAG a partir do ácido fosfatídico O ácido fosfatídico também pode ser convertido diretamente em fosfatidili nositol ou fosfatidilglicerol DAG pode originar fosfatidi letanolamina ou fosfatidilcolina ver Figura 1218 A localização das enzimas de síntese de glicerolipí deos revela uma interação complexa e altamente regulada entre o cloroplasto onde os ácidos graxos são sintetiza dos e outros sistemas de membranas da célula Em ter mos simples a bioquímica abrange duas rotas conhecidas como rota procariótica ou cloroplastídica e rota eucarió tica ou de RE 1 Nos cloroplastos a rota procariótica utiliza os produ tos 160ACP e 181ACP da síntese de ácidos graxos no cloroplasto para sintetizar ácido fosfatídico e seus derivados Alternativamente os ácidos graxos podem ser exportados ao citoplasma como ésteres de CoA 2 No citoplasma a rota eucariótica utiliza um conjunto separado de aciltransferases no RE para incorporar os ácidos graxos no ácido fosfatídico e seus derivados Uma versão simplificada desse modelo de duas rotas está representada na Figura 1218 TABELA 124 Componentes glicerolipídicos das membranas celulares Lipídeo Composição lipídica porcentagem do total Cloroplasto Retículo endoplasmático Mitocôndria Fosfatidilcolina 4 47 43 Fosfatidiletanolamina 34 35 Fosfatidilinositol 1 17 6 Fosfatidilglicerol 7 2 3 Difosfatidilglicerol 13 Monogalactosildiacilglicerol 55 Digalactosildiacilglicerol 24 Sulfolipídeo 8 Taiz12indd 346 Taiz12indd 346 27102016 145444 27102016 145444 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 347 SACP Ácido graxo finalizado AcetilCoA MalonilCoA MalonilACP AcetoacetilACP ACP CO2 CO2 ACP 2 2 CO2 Enzima condensadora Enzima condensadora Continua em direção à cadeia de 16 a 18 carbonos de comprimento acilACP ACP AcetilCoA carboxilase Etapa de descarboxilação Etapa de descarboxilação 4 O grupo ceto no carbono 3 é removido em três etapas 5 O segundo ciclo de síntese de ácidos graxos inicia aqui 7 A ACP é removida do ácido graxo finalizado em uma reação de transferase 2 O grupo malonil é transferido para a proteína carrega dora de acil ACP 1 Esta é a primeira etapa comprometida com a rota biossintética de ácidos graxos 3 O primeiro ciclo de síntese de ácidos graxos inicia aqui ATP ADP Pi NADPH NADP 6 O ciclo continua múltiplas vezes adicionando unidades de acetato 2 carbonos do malonilACP CH3 C O SCoA CH2 C O SCoA OOC CH2 C O SACP OOC CH2 C O CH3 C O CH2 C O SACP CH2 CH3 ButirilACP Cloroplasto rota procariótica Retículo endoplasmático rota eucariótica Ácido graxo sintase e 180ACPdessaturase 160ACP 181ACP 160CoA 181CoA Fosfatidilglicerol Ácido fosfatídico PA Ácido fosfatídico PA Digalactosildia cilglicerol Diacilglicerol DAG Diacilglicerol DAG Fosfatidili nositol Fosfatidil glicerol Fosfatidileta nolamina Fosfatidilcolina Monogalacto sildiacilglicerol Sulfolipídeo Figura 1218 As duas rotas de síntese de glicerolipídeos no cloro plasto e no retículo endoplasmático de células foliares de Arabidopsis Os principais componentes de mem brana são mostrados nas caixas de texto A glicerolipídeo dessaturase no cloroplasto e as enzimas no re tículo endoplasmático convertem os ácidos graxos 160 e 181 em ácidos graxos mais altamente insaturados mostrados na Figura 1216 Figura 1217 Ciclo da síntese de ácidos graxos em plastí dios de células vegetais Taiz12indd 347 Taiz12indd 347 27102016 145444 27102016 145444 348 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Em algumas plantas superiores incluindo Arabidopsis e espinafre as duas rotas contribuem quase igualmente para a síntese de lipídeos dos cloroplastos Em muitas outras an giospermas no entanto o fosfatidilglicerol é o único produ to da rota procariótica e os demais lipídeos do cloroplasto são sintetizados inteiramente pela rota eucariótica A bioquímica da síntese de triacilglicerol em sementes oleaginosas em geral é a mesma descrita para glicerolipí deos 160ACP e 181ACP são sintetizados nos plastídios e exportados como tioésteres de CoA para incorporação no DAG no RE ver Figura 1218 As enzimaschave no metabolismo de sementes oleaginosas não mostradas na Figura 1218 são acil CoADAGaciltransferase e PCDAGaciltransferase que catalisam a síntese de triacilglicerol Conforme observado anteriormente moléculas de triacilglicerol acumulamse em estruturas subcelulares especializadas os corpos li pídicos a partir das quais elas podem ser mobilizadas durante a germinação e convertidas em açúcares A composição lipídica influencia a função da membrana Uma questão central na biologia de membranas é a razão funcional por trás da diversidade de lipídeos Cada sistema de membranas da célula tem um complemento caracterís tico e distinto de tipos de lipídeos dentro de uma única membrana cada classe de lipídeos tem uma composição distinta de ácidos graxos ver Tabela 124 Uma visão simplificada de uma membrana é aquela na qual os lipídeos constituem a bicamada fluída semipermeá vel que é a matriz para as proteínas funcionais de membra na Uma vez que essa função genérica dos lipídeos poderia ser preenchida por uma única espécie insaturada de fosfati dilcolina esse modelo simples é obviamente insatisfatório Por que é necessária a diversidade de lipídeos Um aspecto da biologia de membranas que pode responder a essa per gunta central é a relação entre a composição lipídica e a ca pacidade dos organismos de se ajustarem às mudanças de temperatura Por exemplo plantas sensíveis ao frio experi mentam reduções bruscas na taxa de crescimento e no de senvolvimento a temperaturas entre 0 e 12oC ver Capítulo 24 Muitas culturas economicamente importantes como algodão soja milho arroz e inúmeras frutíferas tropicais e subtropicais são classificadas como sensíveis ao frio Por outro lado a maioria das plantas oriundas de regiões tem peradas é capaz de crescer e se desenvolver em temperatu ras baixas e elas são classificadas como resistentes ao frio Devido ao decréscimo na fluidez lipídica em tempera turas mais baixas tem sido sugerido que o evento primá rio de dano por resfriamento é uma transição de uma fase líquidocristalina para uma fase de gel nas membranas celu lares De acordo com essa hipótese essa transição resul taria em alterações no metabolismo de células resfriadas e levaria ao dano e à morte das plantas sensíveis ao frio O grau de insaturação dos ácidos graxos determinaria a temperatura na qual o dano ocorreria Pesquisa recente no entanto sugere que a relação en tre insaturação de membrana e as respostas das plantas à temperatura é mais sutil e complexa ver Tópico 128 na internet As respostas de mutantes de Arabidopsis com saturação aumentada dos ácidos graxos a baixas tempera turas não são como o previsto pela hipótese de sensibili dade ao frio sugerindo que danos normais causados pelo frio podem não ser estritamente relacionados ao nível de insaturação dos lipídeos das membranas Por outro lado experimentos com indivíduos transgê nicos de tabaco sensíveis ao frio mostram resultados opos tos A expressão transgênica de genes exógenos em tabaco tem sido usada especificamente para diminuir o nível de fosfatidilglicerol saturado ou para causar um aumento geral na insaturação da membrana Em cada caso o dano causa do pelo resfriamento foi mitigado em certo grau Essas novas descobertas deixam claro que tanto a ex tensão da insaturação das membranas como a presença de lipídeos específicos como o fosfatidilglicerol insaturado podem afetar as respostas das plantas a baixas temperatu ras Conforme discutido no Tópico 128 na internet mais estudos são necessários para se entender completamente a relação entre composição lipídica e função das membranas Os lipídeos de membranas são importantes precursores de compostos sinalizadores Plantas animais e micróbios utilizam os lipídeos de mem brana como precursores de compostos utilizados para si nalização intracelular ou de longo alcance Por exemplo o hormônio jasmonato derivado do ácido linolênico 183 ativa as defesas das plantas contra insetos e muitos fun gos patogênicos ver Capítulo 23 Além disso o jasmona to regula outros aspectos do crescimento vegetal incluin do o desenvolvimento das anteras e do pólen Fosfatidilinositol45bifosfato PIP2 é o mais im portante de vários derivados do fosfatidilinositol conheci dos como fosfoinositídeos Em animais a ativação mediada por receptores da fosfolipase C leva à hidrólise do PIP2 em inositol trifosfato InsP3 e diacilglicerol ambos atuando como mensageiros secundários intracelulares A ação do InsP3 na liberação do Ca2 no citoplasma por meio de canais sensíveis ao Ca2 no tonoplasto e em outras membranas e portanto na regulação dos proces sos celulares tem sido demonstrada em vários sistemas vegetais incluindo as célulasguarda Informações sobre outros tipos de sinalização por lipídeos em plantas estão se tornando disponíveis mediante estudos bioquímicos e de genética molecular das fosfolipases e de outras enzimas envolvidas na geração desses sinais Os lipídeos de reserva são convertidos em carboidratos em sementes em germinação Depois de germinarem as sementes oleaginosas metabo lizam os triacilgliceróis convertendoos em sacarose As plantas não são capazes de transportar gorduras dos cotilé dones para outros tecidos da plântula em desenvolvimento Taiz12indd 348 Taiz12indd 348 27102016 145445 27102016 145445 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 349 CHO COOH Triacilgliceróis são hidrolisados para produzir ácidos graxos Ácidos graxos são metabolizados por βoxidação à acetilCoA no glioxissomo Cada duas moléculas de acetilCoA produzidas são metabolizadas pelo ciclo do glioxilato para gerar um succinato O succinato movese para a mitocôndria e é convertido em malato O malato é transportado para o citosol e oxidado a oxaloacetato que é convertido a fosfoenolpiruvato pela enzima PEPcarboxiquinase O PEP resultante é então metabolizado para produzir sacarose via rota gliconeogênica Malato Malato Fumarato Succinato Succinato MITOCÔNDRIA A B Glioxissomo Mitocôndria CORPO LIPÍDICO Ácido graxo n acetilCoA Citrato Citrato Aconitase Malato Malato Oxalacetato Oxalacetato Fosfoenolpiruvato Frutose6P Sacarose Isocitrato Isocitrato Glioxilato Triacilgliceróis CoA CoA CoA AcilCoA Ácido graxoacil CoAsintetase Malato desidrogenase O2 CO2 n H2O n n Oxalacetato Malato desidrogenase PEPcarboxi quinase CITOSOL n 2 GLIOXISSOMO βoxidação Ciclo do glioxilato Lipase ATP ADP NADH NAD NADH NADH NAD NAD Corpo lipídico de modo que elas precisam converter os lipídeos armazena dos em uma forma mais móvel de carbono em geral saca rose Esse processo envolve diversas etapas as quais estão localizadas em diferentes compartimentos celulares corpos lipídicos glioxissomos mitocôndrias e citosol VISÃO GERAL LIPÍDEOS À SACAROSE Em sementes oleaginosas a conversão de lipídeos em sacarose é de sencadeada pela germinação Ela começa com a hidróli se dos triacilgliceróis armazenados em corpos lipídicos a ácidos graxos livres seguida da oxidação desses ácidos graxos para produzir acetilCoA Figura 1219 Os ácidos graxos são oxidados em um tipo de peroxissomo deno minado glioxissomo uma organela delimitada por uma única bicamada de membrana que é encontrada nos teci dos de reserva da semente ricos em óleos A acetilCoA é metabolizada no glioxissomo e no citoplasma ver Figura Figura 1219 Conversão de gorduras em açúcares durante a germinação de sementes oleaginosas A Fluxo de carbono durante a degradação de ácidos graxos e gliconeogênese reportar às Figu ras 122 123 e 126 para as estruturas químicas B Micrografia ao microscópio eletrônico de uma célula do cotilédone armazenador de óleos de uma plântula de pepino mostrando glioxissomos mito côndrias e corpos lipídicos B cortesia de R N Trelease Taiz12indd 349 Taiz12indd 349 27102016 145445 27102016 145445 350 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 1219A para produzir succinato O succinato é transporta do do glioxissomo para a mitocôndria onde é convertido primeiro em fumarato e após em malato O processo ter mina no citosol com a conversão do malato em glicose via gliconeogênese e então em sacarose Na maioria das se mentes oleaginosas cerca de 30 da acetilCoA são usa dos para a produção de energia pela respiração e o resto é convertido em sacarose HIDRÓLISE MEDIADA POR LIPASES A etapa inicial na conversão de lipídeos em carboidratos é a degradação dos triglicerídeos armazenados em corpos lipídicos pela enzi ma lipase a qual hidrolisa triacilgliceróis em três molécu las de ácidos graxos e uma molécula de glicerol Durante a degradação dos lipídeos os corpos lipídicos e os glio xissomos em geral estão em associação física íntima ver Figura 1219B βOXIDAÇÃO DE ÁCIDOS GRAXOS As moléculas de ácidos graxos entram no glioxissomo onde são ativadas pela conversão em ácido graxoacilCoA pela enzima ácido graxoacilCoAsintetase A ácido graxoacilCoA é o substrato inicial para a série de reações da βoxidação nas quais Cn ácidos graxos ácidos graxos compostos de n carbonos são sequencialmente decompostos em n2 mo léculas de acetilCoA ver Figura 1219A Essa sequência de reações envolve a redução de ½ O2 a H2O e a formação de um NADH para cada acetilCoA produzida Em tecidos de mamíferos as quatro enzimas associa das à βoxidação estão presentes na mitocôndria Em teci dos de reserva de sementes elas estão localizadas exclusi vamente nos glioxissomos ou na organela equivalente em tecidos vegetativos o peroxissomo ver Capítulo 1 O CICLO DO GLIOXILATO A função do ciclo do glioxi lato é converter duas moléculas de acetilCoA em succi nato A acetilCoA produzida por βoxidação é posterior mente metabolizada no glioxissomo mediante uma série de reações que compõem o ciclo do glioxilato ver Figura 1219A Inicialmente a acetilCoA reage com oxalaceta to gerando citrato que é então transferido ao citoplasma para isomerização a isocitrato pela aconitase O isocitrato é reimportado para o glioxissomo e convertido em malato por duas reações que são exclusivas da rota do glioxilato 1 Em primeiro lugar o isocitrato C6 é clivado pela enzima isocitratoliase produzindo succinato C4 e glioxilato C2 O succinato é exportado para as mito côndrias 2 A seguir a malato sintase combina uma segunda molécula de acetilCoA com glioxilato produzindo malato O malato é então transferido para o citoplasma e con vertido em oxaloacetato pela isozima citoplasmática da malatodesidrogenase O oxaloacetato é reimportado para o glioxissomo e se combina com outra acetilCoA para continuar o ciclo ver Figura 1219A O glioxilato produzi do mantém o ciclo operando mas o succinato é exportado às mitocôndrias para posterior processamento O PAPEL MITOCONDRIAL Ao se mover dos glioxisso mos para as mitocôndrias o succinato é convertido em malato pelas duas reações correspondentes do ciclo do ácido cítrico O malato resultante pode ser exportado das mitocôndrias em troca de succinato mediante o transpor tador de dicarboxilato localizado na membrana mitocon drial interna O malato é então oxidado a oxalacetato pela malatodesidrogenase no citosol enquanto o oxalaceta to resultante é convertido em carboidratos pela inversão da glicólise gliconeogênese Essa conversão exige que a irreversibilidade da reação da piruvato quinase seja con tornada ver Figura 123 e é facilitada pela enzima PEP carboxiquinase que utiliza a capacidade de fosforilação do ATP para converter oxaloacetato em PEP e CO2 ver Figura 1219A A partir do PEP a gliconeogênese pode prosseguir com a produção de glicose conforme já descrito A saca rose produto final desse processo é a forma primária de carbono reduzido translocado dos cotilédones aos tecidos das plântulas em desenvolvimento Entretanto nem todas as sementes convertem quantitativamente gordura em açúcar ver Tópico 129 na internet RESUMO Utilizando os constituintes estruturais proporcionados pela fotos síntese a respiração libera a energia armazenada em compostos de carbono de uma maneira controlada para o uso celular Ao mesmo tempo ela gera muitos precursores de carbono para a biossíntese Visão geral da respiração vegetal Na respiração vegetal o carbono celular reduzido gerado pela fotossíntese é oxidado a CO2 e água e essa oxidação é acopla da à síntese de ATP A respiração ocorre por quatro processos principais a glicólise a rota oxidativa das pentoses fosfato o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa a cadeia de transporte de elétrons e a síntese de ATP Figura 121 Glicólise Na glicólise os carboidratos são convertidos em piruvato no citosol e uma pequena quantidade de ATP é sintetizada via fos forilação em nível de substrato O NADH também é produzido Figura 123 Taiz12indd 350 Taiz12indd 350 27102016 145445 27102016 145445 Capítulo 12 Respiração e Metabolismo de Lipídeos 351 MATERIAL DA INTERNET Tópico 121 Isolamento de mitocôndrias Mitocôndrias in tactas e funcionais podem ser purificadas para análise in vitro Tópico 122 O ciclo Q explica como o complexo III bom beia prótons através da membrana mitocondrial inter na Um processo cíclico permite uma estequiometria próton elétron mais alta Tópico 123 Múltiplos desvios nas etapas de conserva ção de energia na fosforilação oxidativa de mitocôndrias vegetais As enigmáticas rotas não fosforilativas e desperdi çadoras de energia da respiração são importantes para a flexi bilidade metabólica Tópico 124 FoF1ATPsintases os menores motores gira tórios do mundo A rotação da subunidade γ ocasiona as mu danças de conformação que acoplam o fluxo de prótons para a síntese de ATP Tópico 125 Transporte para dentro e para fora das mi tocôndrias vegetais As mitocôndrias vegetais transportam metabólitos coenzimas e macromoléculas Tópico 126 O sistema genético das mitocôndrias vege tais tem diversas características especiais O genoma mito condrial codifica cerca de 40 proteínas mitocondriais A glicólise vegetal tem enzimas alternativas para várias etapas Isso permite diferenças nos substratos utilizados nos produtos gerados e na direção da rota Quando O2 insuficiente está disponível a fermentação regenera NAD para a glicólise Apenas uma pequena fração da energia disponível em açúcares é conservada pela fermentação Figura 123 A glicólise vegetal é regulada de baixo para cima por seus produtos Rota oxidativa das pentoses fosfato Os carboidratos podem ser oxidados pela rota oxidativa das pentosesfosfato que fornece constituintes estruturais para biossíntese e poder redutor como NADPH Figura 124 Ciclo do ácido cítrico O piruvato é oxidado a CO2 dentro da matriz mitocondrial por meio do ciclo do ácido cítrico gerando um grande número de equivalentes redutores na forma de NADH e FADH2 Figuras 125 126 Em plantas o ciclo do ácido cítrico é envolvido em rotas alterna tivas que permitem a oxidação de malato ou citrato e a expor tação de intermediários para biossíntese Figuras 126 127 Transporte de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP O transporte de elétrons de NADH e FADH2 para o oxigênio é acoplado por complexos enzimáticos ao transporte de prótons através da membrana mitocondrial interna Isso gera um gra diente eletroquímico de prótons usado para alimentar a síntese e a exportação de ATP Figuras 1281210 Durante a respiração aeróbica até 60 moléculas de ATP são produzidas por molécula de sacarose Tabela 122 A presença de várias proteínas oxidase alternativa NADPH desidrogenases e proteína desacopladora que diminuem a recuperação de energia é típica da respiração vegetal Figuras 128 129 Os principais produtos do processo respiratório são ATP e in termediários metabólicos utilizados na biossíntese A demanda celular por esses compostos regula a respiração por meio de pontos de controle na cadeia transportadora de elétrons no ciclo do ácido cítrico e na glicólise Figuras 12111214 Respiração em plantas e em tecidos intactos Mais de 50 da produtividade fotossintética diária podem ser respirados por uma planta Muitos fatores podem afetar a taxa respiratória observada ao nível da planta inteira Esses fatores abrangem a natureza e a idade do tecido vegetal assim como fatores ambientais como a luz a temperatura o suprimento de nutrientes e de água e as concentrações de O2 e CO2 Metabolismo de lipídeos Triacilgliceróis gorduras e óleos são uma forma eficiente para armazenagem de carbono reduzido particularmente em sementes Glicerolipídeos polares são os componentes estruturais primários de membranas Figuras 1215 1216 Tabelas 123 124 Triacilgliceróis são sintetizados no RE e acumulamse dentro da bicamada fosfolipídica formando corpos lipídicos Os ácidos graxos são sintetizados nos plastídios utilizando ace tilCoA em ciclos de adição de dois carbonos Os ácidos graxos dos plastídios podem ser transportados ao RE onde posterior mente são modificados Figuras 1217 1218 A função de uma membrana pode ser influenciada pela sua composição lipídica O grau de insaturação dos ácidos graxos influencia a sensibilidade das plantas ao frio mas não parece estar envolvido nos danos normais causados pelo resfriamento Alguns derivados lipídicos como jasmonato são importantes hormônios de plantas Durante a germinação de sementes oleaginosas os lipídeos ar mazenados são metabolizados a carboidratos em uma série de reações que incluem o ciclo do glioxilato Esse ciclo ocorre nos glioxissomos e as etapas subsequentes ocorrem nas mitocôn drias Figura 1219 O carbono reduzido gerado durante a degradação lipídica nos glioxissomos é por fim convertido em carboidratos no citosol pela gliconeogênese Figura 1219 Taiz12indd 351 Taiz12indd 351 27102016 145445 27102016 145445 352 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Leituras sugeridas Atkin O K and Tjoelker M G 2003 Thermal acclimation and the dynamic response of plant respiration to temperature Trends Plant Sci 8 343351 Bates P D Stymne S and Ohlrogge J 2013 Biochemical pathways in seed oil synthesis Curr Opin Plant Biol 16 358364 GonzalezMeler M A Taneva L and Trueman R J 2004 Plant respiration and elevated atmospheric CO2 concentration Cellular responses and global significance Ann Bot 94 647656 Markham J E Lynch D V Napier J A Dunn T M and Cahoon E B 2013 Plant sphingolipids function follows form Curr Opin Plant Biol 16 350357 Millar A H Whelan J Soole K L and Day D A 2011 Organization and regulation of mitochondrial respiration in plants Annu Rev Plant Biol 62 79104 Møller I M 2001 Plant mitochondria and oxidative stress Electron transport NADPH turnover and metabolism of reactive oxygen species Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 52 561591 Nicholls D G and Ferguson S J 2013 Bioenergetics 4 4th ed Academic Press San Diego CA Plaxton W C and Podestá F E 2006 The functional organization and control of plant respiration Crit Rev Plant Sci 25 159198 Rasmusson A G Geisler D A and Møller I M 2008 The multiplicity of dehydrogenases in the electron transport chain of plant mitochondria Mitochondrion 8 4760 Sweetlove L J Beard K F M NunesNesi A Fernie A R and Ratcliffe R G 2010 Not just a circle Flux modes in the plant TCA cycle Trends Plant Sci 15 462470 Vanlerberghe G C 2013 Alternative oxidase A mitochondrial respiratory pathway to maintain metabolic and signaling homeostasis during abiotic and biotic stress in plants Int J Mol Sci 14 68056847 Wallis J G and Browse J 2010 Lipid biochemists salute the genome Plant J 61 10921106 Tópico 127 A respiração reduz a produtividade das cul turas A produtividade de culturas está correlacionada com as baixas taxas respiratórias de uma maneira não compreendida Tópico 128 A composição lipídica das membranas afe ta a biologia celular e a fisiologia das plantas Mutantes lipídicos estão ampliando nosso conhecimento acerca da ca pacidade dos organismos de se adaptarem às mudanças de temperatura Tópico 129 Utilização de reservas de óleo dos cotilédo nes Em algumas espécies apenas parte dos lipídeos armaze nados nos cotilédones é exportada como carboidrato Ensaio 121 A flexibilidade metabólica ajuda as plantas a sobreviverem ao estresse A capacidade das plantas de realizar uma etapa metabólica de diferentes maneiras aumenta a sobrevivência vegetal sob estresse Ensaio 122 Elaboração do perfil metabólico das células vegetais A elaboração do perfil metabólico complementa a genômica e a proteômica Ensaio 123 Dinâmica mitocondrial quando a forma en contra a função A microscopia de fluorescência tem mos trado que as mitocôndrias alteram dinamicamente a forma o tamanho o número e a distribuição in vivo Ensaio 124 Mitocôndrias em sementes e a tolerância ao estresse As sementes experimentam uma enorme gama de estresses e são dependentes da respiração para a germinação Ensaio 125 Balanço de vida e morte o papel da mito côndria na morte celular programada A morte celular pro gramada é uma parte integral do ciclo de vida das plantas com frequência envolvendo diretamente as mitocôndrias Ensaio 126 Respiração por flores termogênicas A tempe ratura de flores termogênicas como nos lírios do gênero Arum pode aumentar até 35oC acima do ambiente adjacente Ensaio 127 Espécies reativas de oxigênio EROs e respi ração vegetal A produção de espécies reativas de oxigênio é uma consequência inevitável da respiração aeróbica Ensaio 128 Síntese de coenzima em mitocôndrias vege tais As rotas de síntese de coenzimas frequentemente são di vididas entre organelas Ensaio 129 Medição in vivo da respiração vegetal As ati vidades da oxidase alternativa e da citocromo c oxidase podem ser medidas simultaneamente Taiz12indd 352 Taiz12indd 352 27102016 145445 27102016 145445