• 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