BIOQUÍMICA BIOQUÍMICA ECOLÓGICAECOLÓGICA

Professora ResponsávelProfessora ResponsávelMaria Eugénia Webb, Ph.D.Maria Eugénia Webb, Ph.D.E-mail: E-mail: ew@mail.fct.unl.ptTm: 96 5 47 55 73Tm: 96 5 47 55 73Gabinete 459 – Ed. Dep.Gabinete 459 – Ed. Dep.

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de fácil acesso aos alunos

Vamos

trabalhar!

Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal

CLASSENúmero

aproximado de

estruturas

DistribuiçãoActividade Fisiológica

Alcalóides 5 500 Angiosp./R/F/Fr

Tóxicos. Amargos

Aminas 100 Angiosp./Fl. Halocinog.

Cheiro repelente

A.A. N. P. 500 Legumin./S, Tóxicos

Glicósidos Cianogénicos

37 F./Fr. Tóxicos (=HCN)

Glucosinolatos 80 Cruciferae Acres/amargos

Fenóis simples 200 Universal/F. Antimicrobiana

Flavonóides 1 500 Universal Coloração

Quinonas 580 Vasta distrib. Coloração

(CONT)

Com

p.

Nitr

ogen

ados

Com

p.

Fen

ólic

os

Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal (Cont.)

CLASSENúmero

aproximado de

estruturas

DistribuiçãoActividade Fisiológica

Monoterpenos 1 370 Óleos essenciais

Cheiro agradável

Lactonas sesquiterpénicas

750Compositae Tóxicos. Amargos.

Alergenos

Diterpenóides 1 230 Vasta (latex, resinas)

Tóxicos (apenas alguns)

Saponinas 537 Vasta Hemolítica

Cardenolidos 150 Restrita Amargos. Tóxicos

Carotenóides 380 Universal.F/Fl/Fr.

Coloração

Cucurbitacinas 150 Restrita Tóxicos. Amargos

Poliacetilenos 650 Compositae

Umbeliferae

Tóxicos (alguns comp.)

Ter

penó

ides

Out

ros

Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientaispor Plantas a Pressões Ambientais

1 - Adaptações explicáveis em termos moleculares

(a) – Alteração da Estrutura Molecular - Qualitativo

(b) Alteração do Número de Moléculas - Quantitativo

•Resistir à desnaturação no caso de a molécula não ser capaz de sobreviver ao “stress”. Ex. : redução do número de grupos –SH nas proteínas de plantas submetidas a baixas temperaturas.

•Melhorar a operacionalidade, isto é, uma molécula funcionaria a um nível abaixo do normal em condições alteradas. Ex.: mudanças no sistema de absorção em plantas submetidas a uma deficiência nutritiva.

•Ajustar o número de determinadas moléculas. Ex.: diferenças detectadas na actividade de ribulose 1,5 bi-fosfato carboxilase em folhas expostas à luz e sujeitas a ensombramento.

•Proteger o metabolismo. Ex1.: equilíbrio osmótico através da síntese de amino ácidos em halófitos. Ex2.: quelação de iões tóxicos. (cont.-»)

Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais por Plantas a Pressões Ambientais (cont.)(cont.)

1 - Adaptações explicáveis em termos moleculares (cont)

(c) – Alteração do Tipo Funcional de Moléculas

•Fazer operar vias alternativas (existe um conjunto de moléculas que não é o apropriado para enfrentar a alteração das condições ambientais , no entanto, não se torna necessário uma nova síntese) Ex. :activação da via respiratória anaeróbia em plantas tolerantes ao encharcamento.

2 – Adaptações requerendo uma explicação em termos morfológicos ou comportamentais

(a) – Ajustamento a alterações temporais existentes no ambiente

(b) – Ajustamentos a alterações espaciais existentes no ambiente

Classificação de Tipos de Resposta apresentados Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais por Plantas a Pressões Ambientais (cont.)(cont.)

2 – Adaptações requerendo uma explicação em termos morfológicos ou comportamentais

(a) – Ajustamento a alterações temporais existentes no ambiente

• Reacções imediatas – Ex. respostas comportamentais como os movimentos das folhas e dos estomas

• Reacções a Longo Prazo – diferenças sazonais na forma de crescimento, incluindo dormência, folhas jovens e adultas

(b) – Ajustamentos a alterações espaciais existentes no ambiente

• Respostas qualitativas – produção de estruturas diferentes. Ex.: folhas de sol e de sombra, heterofilia aquática, aerênquima em plantas sujeitas ao encharcamento.

•Respostas quantitativas – alterações na localização de substâncias de reserva Ex.: “stress nutritivo”

Adaptação Bioquímica das Plantas ao Meio

Células do Mesófilo Celulas Baínha dos Vasos

Sacarose - amidoSup.Folha

PEP – fosfoenolpiruvato

RuBP – ribulose 1,5 bifosfato carboxilase/oxigenase

PGA – ácido fosfoglicerico

Ciclo em C4-modificação da via do carbono na fotossíntese

Cortes transversais de folhas de plantas em C4 mostrando a aglomeração de cloroplastos no interior das células que constituem as bainhas dos vasos condutores

Setaria splendida

Cenchrus ciliaris

Nota: cortes transversais das folhas realizados em micrótomo de congelação. Fotos – microscopia óptica

Foto MW

Foto MW

Vias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras EpicuticularesVias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras Epicuticulares

“Pool”

de

Cadeias

de

Acilo

C20-C34

•Ésteres de Alcano

- dicetonas

•Hidroxi - -dicetonas

• Alcóois secundários

•Cetonas

Descarboxilação

Alcanos

Aldeídos--» Alcóois

Ésteres

Ácidos

Composições Lipídicas Típicas das Superfícies de Folhas de Plantas em C3 e em C4

Família Espécie Mec.Ass.

CO2

Comp. das

Ceras

Poaceae Cynodon dactylon

Saccharum officinarum

Festuca ovina

Secale cereale

C4

C3

Comp comuns:

alcanos,ésteres, aldeídos, alcóois, ácidos livres

Comp. Comuns +ésteres de alcano,

-dicetonas, hidro- -dicetonas

Poaceae Avena sativa

Panicum sp.

C3 ou C4 Classes de comp.comuns a C3 e a C4 +ésteres de alcano,-dicetonas, hidro- -dicetonas

Asteraceae Crisinum arvense C3 Classes comp. Comuns

Composição (%) das Ceras Epicuticulares de Triticum aestivum var. Demar em três estádios de desenvolvimento da Planta

Classes de Compostos

Dias após Germinação

30 130 190

Alcanos 8 15 6

Ésteres lineares 15 19 9

Aldeidos 14 16 2

Alcóois primários 60 45 40

-dicetonas - - 20

Hidroxi--dicetonas - - 18

Ésteres de alcano - - 3

Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978)

-SH HS--SH HS-

1 – Anterior à acção de baixas temperaturas

Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.)

-S S--S S-

2–Após ter sido submetido à acção de baixas temperaturas

Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.)

-S S- -S S-

3–Após ter descongelado

A desidratação citoplásmica associada à congelação forçam a ligação de três proteínas. Como resultado estas ligam-se através de pontes de dissulfito. Quando ocorre a reidratação do citoplasma a estrutura terceária da molécula central é destruída (note-se que as pontes de hidrogénio constituem ligações “fracas”) devido ao facto de as moléculas exteriores readquirirem a sua forma.

Adaptação ao EncharcamentoAdaptação ao Encharcamento

Algumas espécies poderão ter de suportar excesso de água, pelo menos durante parte do ano. As que conseguem tolerar, como Iris pseudacorus e Juncus effusus, o encharcamento da parte radicular poderão ter de alterar a via respiratória de aeróbia para semi-anaeróbia

Um dos principais problemas na raiz submersa consiste no facto de a via glicolítica, na ausência de oxigénio em quantidade suficiente, dará origem a acetaldeído, via piruvato, que na presença de níveis elevados de alcooldesi-drogenase, é convertido a etanol

O etanol é altamente tóxico para as células vege-tais e se se acumula, a planta é incapaz de resistir.

Iris pseudacorus

A hipótese bioquímica que tenta explicar a tolerância de algumas plantas ao encharcamento, sugere a diversificação da via glicolítica, de modo a que a degradaça~de compostos intermédios dos carbohidratos (ex.: fosfoenolpiruvato), seejam “desviados” para a formação de outros produtos inofensivos para a raiz.

Acumula ácido shiquimico durante época

de excesso de água

Alnus incana

Acumula glicerol durante época de excesso de água

Um outro problema derivado da respiração anaeróbia consiste nos baixos níveis de energia produzidos durante o processo.

Outros desafios referem-se à toxicidade provocada por iões inorgânicos (ex.: ferro) libertado durante o prevalecimento das condições redutoras

Juncus sp.

Acumula malato em condi-ções de ancharcamento

Glucose Fosfato dehidroxiacetona Fosfoenolpiruvato piruvato acetaldeido

Glicerol Xiquimato Lactato

etanoloxalacetato

Aspartato

Malato

Alanina

Passo redutor NADH2 NAD

Possíveis produtos finais da glicólise em condições

de anoxia

Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em tecidos vegetaistecidos vegetais

Aceleração da glicólise/fer-mentação (efeito Pasteur), levando ao esgotamento das substâncias de reserva, acumulação de metabolitos potencialmente tóxicos e finalmente morte da planta

Aceleração da glicólise/fermentação asso-ciada a uma eficiente remoção do etanol, quer por excreção no meio radicular, quer sob a forma gasosa, via aerênquima -» lenticela. Depender apenas deste sistema resultaria num sério empobrecimento das substâncias de reserva, é natural que esteja restrito a espécies que possuam um arejamento eficiente, estando sujeitas a encharcamento parcial.

Não existe aceleração da glicólise/fer-mentação, tendo assim resultado uma protecção das substâncias de reserva e ausência de risco de toxicidade pelo etanol. No entanto, longos períodos de anaerobiose podem ter consequências graves a nível celular.

Aerênquima

Corte transversal da folha de uma planta aquática mostrando os grandes espaços formados pelas células do aerênquima, proporcionando um local de armazenamento de ar

Tricoma interno

Espaço do aerênquima

Céluas do aerênquima

Efeitos Tóxicos produzidos por Efeitos Tóxicos produzidos por Metais PesadosMetais Pesados

Efeitos Tóxicos produzidos por Efeitos Tóxicos produzidos por Metais PesadosMetais Pesados

Algumas variedades de Agrostis tenuis são capazes de se desenvolverem em solos contendo cerca de 1% de chumbo.

A capacidade de certas plantas lidarem com quantidades tóxicas de metais pesados reside na natureza de um grupo de enzimas localizado ao nível da superfície radicular.

Demonstrou-se que as actividades de um conjunto de enzimas denominados fosfatases ácidas se encontra na base deste tipo de tolerância.

Formas diversas ou isoenzimas de fosfatases ácidas, ocorrem na superfície rdicular dos clones tolerantes.

É possível que mecanismo de sequestro do metal pesado envolva a quelação deste por parte de proteínas específicas ao nível da parede celular.

Agrostis tenuis (Poaceae)

Actividades das Fosfatases Ácidas em Raízes de Agrostis tenuis

| | | / / | |

0 5 10 50 100

Pb no solo (µM)

Hid

rolis

e de

p-n

itrof

enilf

osfa

to

(µM

/m

m2

de s

uper

f íci

e da

ra i

z h-1

)

2.0

3.0 -

4.0 -

Plantas de terrenos calcários ou ácidos

Plantas de terrenos com chumbo

Utilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas IndicadorasUtilização de Plantas Indicadoras

A capacidade de tolerar uma determinada espécie de metal pesado, levou a que certas plantas sejam utilizadas como indicdores da presença de diversos metais.

Urânio - Certas espécies de Astragalus (fabaceae)

Ouro – Sedum lanceolatum (Crassulaceae)

Zinco – Typha latifolia

Adaptação à SalinidadeAdaptação à SalinidadeAdaptação à SalinidadeAdaptação à Salinidade

Acumulação de NaCl no interior do vacúolo

Processa-se através de uma das seguintes vias:

Resistência à entrada de NaCl no interior da célula.

Diluição do NaCl depois da sua entrada na célula.

Têm-se registado algumas diferenças ao nível bioquímico entre halófitos e glicófitos, especialmente no que se refere a enzimas. No entanto, nenhuma destas diferenças parece estar associada ao processo de adaptação.

Armeria maritima – população do Cabo da Roca

Foto MW

Foto MW

Plantago maritima – população do Cabo da Roca

Características bioquímicas dos Halófitos

Acumulação de compostos nitrogenados

Prolina

Glicinabetaina

Em algumas espécies a prolina livre acumula-se, chegando a representar 10 a 20% do peso seco da parte aérea da planta.Noutras, no entanto, os níveis de prolina não são tão elevados, como em Plantago maritima, por exemplo.

As experiências realizadas com Armeria maritima, demonstraram que a prolina é efectivamente um factor bioquímico adaptativo ao “stress” provocado pelo excesso de NaCl

O aumento dos níveis de “stress” salino faz aumentar a concentração em betaina, no interior da planta

O aumento da concentração em betaina é frequentemente acompanhado pelo aumento da concentração em prolina

Níveis de Glicinabetaina e de Prolina em Plantas sujeitas a condições de baixa e elevada salinidade

Tipo de Planta

Planta

mg/100g de peso fresco

Glicinabetaina Prolina

Salinidade Salinidade

Baixa Elevada Baixa Elevada

Glicófito sensível

ao salTomateiro 2 2 6.9 72

Glicófito resistente

ao sal

Centeio “Arimar”Chloris goyana

32

25

158

106

0.8

0.6

22

48

Halófito

Atriplex spongiosaSuaeda monoica

177

385

246

462

1.3

5.7

2.0

3.7

A resistência a elevada salinidade é determinada geneticamente. Estas duas plantas de Lycopercicon esculentum (tomateiro) demonstram que após modificação genética A consegue desenvolver-se num meio rico em NaCl enquanto B, produz um crescimento muito reduzido

Lycopersicon esculentum

Compostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades MoluscicidasCompostos com Propriedades Moluscicidas

Composto/ClasseComposto/Classe Material Material vegetalvegetal ppmppm

%%

MorMortal.tal.

Espécie de caracol Espécie de caracol testadatestada

OutrasOutras

ActividadesActividades

Lematoxina (saponina triterp.)

Phytolaca dodecandra

1.5 90Biomphalaria

glabrataFungicida

Muzigadial (seaquiterpeno)

Warburgia ugandensis

5.0 50 B. glabrata Bactericida

Afinina (isobutilamina)

Spilanthes sp.

50 100 Physa occidentalis Insecticida

Calepensina (furanocumarina)

Ruta chalepensis

2.0 100 B. glabrataPotenciador de barbitur.

Aflatoxina (furanocumarina)

Aspergillus nigra

0.5 100 B. tenagophilaCarcinogénico

Ambrosina (lactona sesquiter)

Ambrosia maritima

10 100 B.havanensis -

C15H27

COOH

OH

Estrutura do ácido anacárdico

O

O

CH2

CH3

O CH3

Estrutura de ambrosina – lactona sesquiterpénica

Interacções HormonaisInteracções Hormonais

AnimaisAnimaisPlantasPlantas

Hormonas sintetizadas em glândulas endócrinas especiais Hormonas sintetizadas numa

grande variedade de células.

A maior parte inclui-se no grupo dos esteróides ou dos péptidos

Incluídas em diversas classes de acordo com os seus efeitos.

Estrutura química diversa: com base em purinas (citocininas), em amino ácidos (auxinas), em terpenos (giberelinas). Uma delas é um gás – o etileno.

Presença de sistema endócrinoAusência de sistema endócrino.

Trifolium sp.

Koala

Viola sp.

As interacções são possíveis a vários níveis e dependem da capacidade de compostos químicos fisiologicamente activos de interagirem ao nível dos diferentes tipos de organismos.

Frequentemente a planta é dominante exercendo os seus efeitos através da síntese de hormonas animais e feromonas e assim influenciando a vida e a sobrevivência de animais fitófagos.

As primeiras comunicações sobre a presença de hormonas sexuais de mamíferos em tecidos vegetais datam de 1930. No entanto, a maior parte da comunidade científica de então rejeitou estes dados, com base no facto de os tecidos vegetais não apresentarem um sistema endócrino.

A função destas hormonas em tecidos vegetais tem sido objecto de especulação. Presentemente pensa-se estarem envolvidas na defesa da planta em relação aos seus predadores. O equilíbrio hormonal em mamíferos é delicado e basta a adição de um ou mais destes compostos através da dieta para apresentar repercussões, mais ou menos graves, ao nível da reprodução.

De facto, a interpretação que atribui a estes estrogéneos vegetais uma função dissuasora em relação ao alimento (planta) encontra apoio na presença de vários compostos que se assemelham estruturalmente a hormonas femininas com actividade estrogénica.

Estrogéneos Estrogéneos VegetaisVegetais

Estrogéneos Estrogéneos VegetaisVegetais

Composto Material VegetalConcent.

(mg Kg-1)

EstronaPhoenix dactylifera (polen

(sementes

0.40

3.3

Estrona Punica granatum (sementes) 17.0

Estriol Salix sp. (flores) 0.11

Estrona Malus pumila (sementes) 0.1

Estradiol-17- Phaseolus vulgaris (sementes)

Testosterona Pinus sylvestris (polen)

estradiol

Existe uma acentuada semelhança entre as estruturas químicas de hormonas sexuais de mamíferos e outros compostos, como certos isoflavonoides produzidos por plantas.

A actividade estrogénica dos isoflavonoides, foi descoberta na Austrália durante os anos 40.

Permitia-se aos rebanhos de pequenos ruminantes pastarem livremente, por períodos relativamente longos e utilizando pastagens onde o trevo subterrâneo (Trifolium subterraneum) era abundante.

Como resultado desta prática, a reprodução foi seriamente afectada e reduzida para menos de 30%. Finalmente identificou-se o material que se encontrava na origem da infertilidade das ovelhas como sendo o trevo subterrâneo e o principio isolado. A mistura de duas isoflavonas – genisteina e formononetina -

Ao “imitarem” o núcleo da hormona feminina estrona, estes compostos impediam a procriação.

Um dos problemas relacionado com este modo de acção reside no facto de existir uma variedade de aceitadores de estrogéneos. Presentes em vários tecidos.

Mais tarde e muito em especial com todo o desenvolvimento derivado do trabalho sobre disruptores endócrinos, sabe-se que diferentes compostos podem mostrar efeitos aditivos ou mesmo actuarem sinergisticamente.

Bases Bioquímicas de Bases Bioquímicas de Resistência à DoençaResistência à Doença

Classificação de Factores de Resistência a Doenças em Plantas Superiores

ClasseClasse DescriçãoDescrição

Comp. Pré-InfecçãoComp. Pré-Infecção

ProibitinasProibitinas Metabolitos que reduzem ou impedem o desenvolvimento de microrganismos in vitro.

Comp. Pós- InfecçãoComp. Pós- Infecção

Pos.InibitinasPos.Inibitinas

FitoalexinasFitoalexinas

Metabolitos formados pela hidrólise ou oxidação de substractos não tóxicos pré-existentes.

Metabolitos formados de novo por desrepressão ou activação genétiva de um sistema enzimático pré-existente.

controlo

Solução de Sulfato de Cobre

Solução de espóros do fungo Botrytes cynerea

FITOALEXINASFITOALEXINAS

Bioensaio e representação esquemática de uma

cromatoplaca de extractos de sementes de Vicia

peregrina

Crescimento do micélio de Cladosporium herbarum

Comp. fungitóxicos

AlelopatiaAlelopatia

O termo alelopatia foi sugerido pela primeira vez por Molisch (1937), para se referir a interacções inibitórias e de estimulação entre todos os tipos de plantas, incluindo os microorganismos.

Este fenómeno é conhecido deste a Antiguidade e tanto Teofrasto (300 AC) e Plínio (1DC) o descrevem

Em 1974, Rice propôs uma nova definição, em que os compostos químicos produzidos por uma planta estariam na base da interacção.

Pode-se assim distinguir entre alelopatia e competição, embora alguns contornos não se apresentem, por vezes, muito nítidos.

No entanto, Muller (1969), tinha já tentado obviar esta situação sugerindo o termo interferência para referir o conjunto de todos os efeitos deletérios de uma planta sobre outra, englobando assim os efeitos alelopáticos e competitivos.

Competição

Consumo de recursos

Alelopatia

Efeito de compostos químicos

Interferência

Diferenças entre alelopatia e competição - esquemático

A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)A experiência de Pickering (1917)

Flor de Malus sp.

gramíneas

solo

Rebentos de macieira

Água Água

Água

Água