• L’azoto è ampiamente diffuso in natura
• È molto mobile
• Il contenuto maggiore è nella litosfera
in combinazioni non ben definite.
• Una frazione ridotta è nel suolo direttamente
assorbibile dalle piante
Crosta terrestreRocceSedimenti
Il comparto ambientale terrestresi differenzia da quello acquatico per la
prevalenza delle forme organiche su quelle inorganiche
AZOTO
•Combustioni industriali•Attività vulcaniche•Incendi di foreste•Precipitazioni atmosferiche
Precipitazioni atmosferiche:
N2 + O2 2 NO + O2 2 NO2 ossido di N , (scariche elettriche, alte temp)
3 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO ac. Nitrico reagisce spontaneamente con H2O
10- 20 Kg/ ha / anno proviene da tali fonti
CICLO DELL’AZOTO
AZOTO ORGANICO
Mineralizzazione
NO3– e NH4
+
processo che avviene in 3 stadi:
1. PROTEOLISI operata da microrganismi
Proteine amminoacidi Acidi nucleici nucleotidi amminoacidi
apertura anelli
2. AMMONIFICAZIONE (microrganismi eterotrofi)
Humus : mol organiche complesse
N proteico derivante da spoglieanimali e vegetali
AMMONIFICAZIONE
deamminazione rilascio di NH3
amminoacidi
R
H-C-NH2 CO2+ H20
COOH
3. NITRIFICAZIONE (batteri autotrofi)
conversione di
NH3 NO2- e NO3
–
rilascio di
Ac. Organici
NH3 è un gas a temp ambiente
NH3 + H2O NH4+ + OH-
A pH ~ 7 la NH 3 è trascurabile
NH4 +
Assorbimento(Piante)
Immobilizzazione nella S.O.
(microrganismi)
Fissazionesui colloidi del suolo
NitrificazioneConversione in NO2
- e NO3-
• sono 2 forme molto solubili
• entrambe direttamente
assorbibili dalle piante
NITRIFICAZIONE: 2 stadi
a) 2NH3 + 3O2 � 2NO2- + 2H+ + 2H2O
Batteri nitrosanti: Nitrosococcus, Nitrosomonas,Nitrosovibrio
b) 2NO2- + O2 � 2NO3
-
Batteri nitricanti: Nitrobacter, Nitrococcus,Nitrospina
Entrambe le reazioni sono esoergoniche : I batteri usano l’energia liberata dall’ossidazione di NH3 per ridurre la CO2 ed utilizzarla per la produzione di sostanza organica.
Per questo sono detti autotrofi chemiosintetici.
NITRIFICAZIONE
NH3 NO2- NO3
–
nitrito nitrato(-3) 6 e- (+3) 2 e- (+5) Perdita di 8 e-
1. Nitrosazione operata da Nitrosomonas
NH4+ + 3 O2 2 NO2
- + 4 H+ + 2 H2O ∆G= - 65 Kcal/mole
Perdita di 6 e- per ogni N:
3 fasidistinte di reazione con scambio di 2 e- per fase :
1. NH3 + ½ O2 NH2OH idrossilammina
2. NH2OH + ½ O2 HNO nitrossile
3. HNO2 + ½ O2 NO2- + H + Ac. Nitroso
solo il prodotto finale è rilasciato nell’ambiente
La formazione di tali
composti non è
evidenziabile perché
restano ancorati
all’E. che li sintetizza
• Il passaggio di e- all’O2 non è diretto ma avviene tramite
Trasportatori costituiti da coenzimi contenenti Cu
• I batteri tollerano elevata concentrazione di NH4+
• range di pH : 8,6-8,8
2. Nitricazione
NO2- + ½ O2 NO3
- ∆G = -17,8 Kcal/mole
2 e- arrivano all’O2 tramite catena di citocromi
• La nitrificazione comporta acidificazione
• La nitricazione è molto + veloce della nitrosazione
non si ha accumulo di nitriti
• La presenza ubiquitaria dei batteri nitrificanti garantisce
il processo di nitrificazione, ma
• Le condizioni ambientalipossono influire:
pH : optimum da neutralità a leggera acidità
Temperatura : 26°C è optimum
A pH > 7 l’ NH 4+ assorbito risulta fitotossico Aumento rapido della NH3
A pH neutro-acido molte specie tollerano elevate concentrazioni di NH4+
NH3 + H+ NH4+
Facilità di attraversamento della membranaNei cloroplasti azione ossidativa a livello dei
tilacoidiInibizione della germinazioneInibizione della respirazioneDanneggiamento delle radici
Tossicità dell ‘ammoniaca:
- Per il NITRATO, NO3- , 2 sistemi:
1. Sistema ad alta affinità,dovuto a un carrier inducibile
efficiente a basse concentrazioni (< 1 mM) , con flusso basso
Attività dell’ATPasi Gradiente protonico
Cotrasporto 2H + / NO3-
2. Sistema a bassa affinità, di tipo costitutivo (canale anionico?)
attivo a concentrazioni elevate (> 1mM) ma con flusso maggiore.
- Per lo ione AMMONIO, NH4+
È assorbito in relazione all’efflusso di H+
Tramite unCarrier definito ad alta affinità
- Assorbimento dell’AMMONIACA, NH3:
Diffusione attraverso lo strato lipidico
Favorita da elevati pH all’esterno della radice
ASSORBIMENTO NELLE PIANTE DELLE FORME AZOTATE
La fonte di N influisce sul pH della soluzione esterna:
• L’ NH 4+ diminuzione pH soluzione esterna
• L’NO3- è assorbito di preferenza a aumento pHsoluzione esterna
pH inferiori della rizosfera
• NH4+ + NO3
- iniziale diminuzione di pH (assorbimento di NH4+)
aumento di pH (assorbimento di NO3- )
rappresenta la situazionemigliore per la pianta:
• la produzione di H+ ~ produzione di OH –• La regolazione del pH non richiede elevati
costi energetici
DENITRIFICAZIONE = perdita di N dal suolo sottoforma gassosa :
NO2 ossido nitroso
N2 N molecolare è una Riduzione dissimilatoria del nitrato
23 specie di batteri denitrificanti:
Pseudomonas, Rhizobium, Azospirillum eterotrofi e aerobi facoltativi
Il processo generale si riassume con le reazioni:
2 NO3- + 10 e- + 12 H+
N2 + 6 H2O
2 NO3- + 8 e- + 10 H+
N2O + 5 H20
La riduzione è graduale con
l’acquisto di 2 e- per tappa
DenitrificazioneNO3
-
NO2-N2O NO
N2Nitratoriduttasi
Enzima diverso da quello coinvolto nell’assimilazione
anaerobi facoltativi
Nitritoriduttasi
NOriduttasi
N2Oriduttasi
Questi quattro enzimi contengono: Mo, Cu and Fe.
Batteri denitrificanti, in assenza di ossigeno come
accettore di elettroni, riducono ossidi di azoto.
Il substrato ossidato è S.O.
Utilizzano l’energia ottenuta dalla riduzione per
trasferire elettroni e immagazzinare energia (ATP).
Parametri che favoriscono il processo di denitrificazione:
• Assenza di O2
• Alte concentrazioni di nitrati
• 5.5< pH <8.6
•Temperature > 5°C,anche se avviene anche fino a 0°C
La denitrificazione riveste importanza:
• Terreni con alternanza nel tempo di
Fasi aerobiche formazione di NO3-
Fasi anaerobiche denitrificazione
(risaie)
• Elevata presenza di radici vive nel suolo: elevata produzione di essudati
radicali stimolazione attività batterica denitrificante
• Sottrazione di O2 condizioni di anaerobiosi
Lo svolgersi del processo di denitrificazione
negli orizzonti profondi del suolo
diminuzione del contenuto di NO3- diminuzione dell’inquinamento
delle falde acquifere
ASSIMILAZIONE RIDUZIONE DEL NITRATO
NO3- + 8 H+ + 8 e- NH3 + 2 H2O + OH -
2 Enzimi lavorano in serie:
- La Nitrato reduttasi NR
NO3- + NAD(P)H + 2e- + 2H+ NO2
- + NAD(P)+ + H2O
- Nitrito reduttasi NiR NO2- + 6 e- + 6 H+ NH3 + OH- + H2O
Nitrato reduttasi (NR) 3 gr. Prostetici : FAD, Citocromo , Cofattore molibdeno
È citoplasmaticaÈ costituita da 2 subunità identiche e autonome
Nitrito reduttasi (NiR)E’ un monomero gr. Siro-eme come gr. prostetico
NR1. NO3
- + NADH+ H+ + 2e- NO2- + NAD+ + H2O
NiR2. NO2
- + 6e- + 6H+ NH3 + OH- + H2O
In Totale: NO3- + 8 H+ + 8 e- NH3 + 2 H2O + OH-
Nelle foglie i 6 e- per la riduzione dei nitriti provengono alla Fd dall’acqua, tramite il
trasporto non ciclico degli e- nella fase luminosa della fotosintesi.
Nelle radici è una proteina simile alla Fd che viene ridotta dal NADH
2 isoforme della NR: Fogliare utilizza NADPHRadicaleutilizza NADH
La Nitrato reduttasi
• È un E. substrato-inducibile (regolazione trascrizionale):
La presenza di NO3- nel citosol aumento della sintesi dell’E.
Incremento di attività dell’E.
La presenza di prodotti di assimilazioneazotati (a.a., amidi..)
Inibizione dell’attività dell’E (feed-back negativo)
• Ha un veloce turn-over : continua sintesi e degradazione
• La sua attività è modulata da alcuni effettori:
1. Nitrato
2. Luce
agiscono da segnali che influenzano la ripartizione del C fotosintetico nelle foglie fra sintesi di saccarosio e Sintesi di a.a.
due vie competono per gli scheletri C
Il flusso di C è regolato da una proteina chinasi citosolica
buio
Proteina chinasi Proteina chinasiInattiva luce Attiva
opera una fosforilazionee modula l’attività dei 2 E chiave:
FOSFORILAZIONESacc-Sintasi P Saccarosio
(inattiva )
PEPc –P Malato(attiva)
Nelle piante C4 le cellule di mesofillo e guaina del fascio si differenziano anche
per l’assimilazione dei nitrati:
NR e NiR sono localizzate solo
nelle cellule del mesofillo
• Nelle cell. del mesofillol’energia prodotta nella fase luminosa viene
utilizzata per la riduzione del nitrato
e la sua assimilazione
• Nelle cell. della guaina del fascioviene utilizzata per
la riduzione della CO2 (Rubisco)
3. Fitormoni :
Le citochinine : aumento della trascrizione di mRNA per NR
aumento della sintesi di NR
ABA inibizione della NR
La riduzione del nitrato è
sia nelle foglie che nelle radici
Dipende da: specie
vegetale, etàdella pianta,
concentrazione di NO3- esterno
In generale:
• Quando il rifornimento esterno di nitrato è basso
Un’elevata quantità è organicato nelle radici
Elevata concentrazione di a.a. nel succo xilematico
• All’aumentare della concentrazione esternadi nitrato:
Una proporzione crescente di NO3-
viene traslocato alle foglie nello xilema
ASSIMILAZIONE del NITRATO Avviene
prevalentemente nelle
foglie
La produzione di OH-
richiede la sintesi di acidi organici che
dissociando con gli H+
tamponano il pH
intracellulare e vengono
accumulati nel vacuolo
Meccanismi di osmoregolazione:
• Ritraslocazione nel floema verso aree in crescita dell’N ridotto (a.a, amidi) + cationi
mobili (K e Mg)
• Ritraslocazione verso le radici di anioni di acidi organici (malato) + K+ successiva
decarbossilazione e rilascio di HCO3-
• Uptake di NO3 - : Il K+ agisce da contro-ione nel trasporto in salita del NO3
-
assorbito a livello radicale
Se il nitrato può essere
accumulato nei vacuoli senza
danno L’NH4+ e soprattutto
l’NH 3 sono tossici a basse
concentrazioni: Nel citoplasma
NH4+ < 15 µM
Nel vacuoloanche
conc + elevatein quanto il
basso pH previene la
formazione di NH3
L’assorbimento di NH4+ nella radice comporta il rilascio di H+ per la
compensazione di cariche: antiporto NH4+ / H+
• Quasi tutto l’NH4+ è assimilato nelle radici: 3 NH4+ 3 NH2-R + 4 H+
Detossificazione rapida formazione di a.a. e amidi
Produzione di H+ Acidificazione del citoplasma
e aumento dell’invio di H+ all’esterno
• L’elevata richiesta di scheletri C per la sintesi di a.a. viene garantita dal
ciclo degli ac.tricarbossilici
Assimilazione dell’ NH4+
Processi di ORGANICAZIONE
GS GOGAT
ProteineAc. NucleiciClorofilla
La conversione dell’ammonio in azoto organico è il risultato dellaAttività di 2 Enzimi:1. GS = glutammina sintetasi
2. GOGAT = glutammato sintetasi
L’asparagina è la 2a ammide importante per le piante in particolare
nelle leguminose originarie dei climi temperati
È ottenuta mediante idrolisi dell’ATP
L’N dell’aspartato può derivare dal glutammato
I 4 C derivano dall’ossalacetato
L’asparagina ha le stesse funzioni della glutammina
RADICE
Frazioni azotate nelle piante
NO3-, NH4
+ 1 Aminoacidi, Ammine 2 ProteineN2 Ammidi Acidi nucleici
3
L’azoto che viene organicato nella pianta resta come tale
È un processo irreversibile
Le 3 frazioni azotate sono influenzate dalla nutrizione:
Aumentando il livello di nutrizione azotata
Incremento di tutte la frazioni
ma con intensità differente
Il turnover dell’N ha 3 tappe principali:
• In questa situazione il contenuto proteicovaria in modo modesto
• L’ac glutammico e la glutamminasono i 2 primi a.a. sintetizzati:
L’ac glutammico è sensibile agli incrementi azotati
•L’N inorganico in questo caso è assimilata a una vel > vel con cui
sono utilizzati gli a.a nella sintesi proteica:
aumento notevole degli a.a. solubili e non delle proteine
PROTEINE
A.A. SOLUBILI
NO 3-
PROTEINE
A.A. SOLUBILI
NO 3-
La carenza di K comporta:
• Alterazione della sintesi proteica
Il K è cofattorein molte attività enzimatiche
• Aumento nel contenuto degli a.a. solubili
Rallentamento della velocità di crescita
Il contenuto di N ottimale per la pianta varia a seconda
della specie, dello stadio di sviluppo, dell’organo considerato
In genere è compreso fra il 2- 5 % espresso in sostanza secca
I sintomi di carenza si manifestano
• nelle foglie con clorosi:
L’N presente nelle foglie più vecchie viene traslocato
in forma di a.a. alle parti giovani
La proteolisi provoca collassamento dei cloroplasti:
Calo del contenuto di clorofilla
Sbiancamento delle foglie
In mais e pomodoro: accumulo di antociani in fusto, piccioli,nervature
colorazione rossastra
All’aumentare della disponibilità di N:
• Incremento del contenuto di N nelle sue forme organiche
• Diminuzione del contenuto di carboidrati di riserva
• Aumenta il rapporto germogli/radici . Le radici sono corte
situazione + sfavorevole per acquisizione di H2O e nutrienti nella
pianta adulta
• Compromissione
dell’apparato radicale
soprattutto la ramificazione
Modesta velocità di
crescita
Piante piccole, steli
sottili, foglie piccole
Il rapporto germogli/radici è
abbassato dalla carenza di N
In riso la disponibilità di N Cambi nella morfologia fogliare
• Aumento lunghezza, larghezza e area fogliare
• Diminuzione dello spessore foglie flosce e curve
interferenza con l’intercettazione della luce
Nei cereali l’eccessivo N interferenze nel bilanciamento dei fitormoni
aumento della lunghezza dello stelo Aumento rischioallettamento
MOVIMENTO DEI COMPOSTI AZOTATI
•Durante la germinazione
Idrolisi delle proteine accumulate nei corpi proteici
formazione di a.a. e ammidi
produzione di nuove proteine
e acidi nucleici
Traslocazione alle cellule in accrescimento
di radici e germogli
Durante la fase vegetativa e riproduttiva
Ampia ricircolazione dell’N verso i sink + importanti:• Le foglie perdono N e i semi lo accumulano
• Idrolisi della Rubisco ad opera di proteinasi
(nelle foglie circa la metà delle proteine si trovano nei cloroplasti)
L’attività fotosintetica diminuisce
In carenza di N durante la fase riproduttiva:
• Autodistruzione delle proteine nelle foglie per garantire il giusto apporto di N
ai semi (anche le molecole di clorofilla)
• All’inizio della fase riproduttiva il massiccio trasferimento di N è accompagnato
da una diminuzione dell’assorbimento dell’N dal suolo
arancio arancio
limone
Clorosi delle foglieadulte
vite mais
riso frumento
tabacco
pomodoro
patata
cucurbitacee
ulivo
cicas
garofano
cavolo eccesso di N
Cavolo cappuccio:Eccesso di N Anomala distribuzione del Ca