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BIOQUÍMICA ECOLÓGICA Professora Responsável Maria Eugénia Webb, Ph.D. Tm: 96 5 47 55 73 Gabinete 459 – Ed.

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1 BIOQUÍMICA ECOLÓGICA Professora Responsável Maria Eugénia Webb, Ph.D. Tm: Gabinete 459 – Ed. Dep.

2 Bem Vindos Wellcom e Bien Venue AVALIAÇÃO •1 Teste teórico (50%) •1 Monografia (50%)

3 Bioquímica Ecológica tem uma Página web própria:

4 A Bioquímica Ecológica tem Apontamentos e bibliografia, de fácil acesso aos alunos

5 Vamos trabalhar!

6 Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal CLASSE Número aproximado de estruturas Distribuição Actividade Fisiológica Alcalóides5 500Angiosp./R/F/ Fr Tóxicos. Amargos Aminas100Angiosp./Fl.Halocinog. Cheiro repelente A.A. N. P.500Legumin./S,Tóxicos Glicósidos Cianogénicos 37F./Fr.Tóxicos (=HCN) Glucosinolatos80CruciferaeAcres/amargos Fenóis simples200Universal/F.Antimicrobiana Flavonóides1 500UniversalColoração Quinonas580Vasta distrib.Coloração (CONT) Comp.Nitrogenados Comp.Fenólicos

7 Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal (Cont.) CLASSE Número aproximado de estruturas Distribuição Actividade Fisiológica Monoterpenos1 370Óleos essenciais Cheiro agradável Lactonas sesquiterpénica s 750 CompositaeTóxicos. Amargos. Alergenos Diterpenóides1 230Vasta (latex, resinas) Tóxicos (apenas alguns) Saponinas537VastaHemolítica Cardenolidos150RestritaAmargos. Tóxicos Carotenóides380Universal.F/Fl /Fr. Coloração Cucurbitacinas150RestritaTóxicos. Amargos Poliacetilenos650Compositae Umbeliferae Tóxicos (alguns comp.) Terpenóides Outros

8 Classificação de Tipos de Resposta apresentados por 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.-»)

9 Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais (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

10 Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais (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”

11 Adaptação Bioquímica das Plantas ao Meio Células do MesófiloCelulas 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

12 Cortes transversais de folhas de plantas em C 4 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

13 Vias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras Epicuticulares “Pool” de Cadeias de Acilo C 20 -C 34 •Ésteres de Alcano •  - dicetonas •Hidroxi -  -dicetonas • Alcóois secundários •Cetonas Descarboxilação Alcanos Aldeídos--» Alcóois Ésteres Ácidos

14 Composições Lipídicas Típicas das Superfícies de Folhas de Plantas em C3 e em C4 FamíliaEspécieMec.Ass. CO 2 Comp. das Ceras PoaceaeCynodon 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 PoaceaeAvena sativa Panicum sp. C3 ou C4Classes de comp.comuns a C3 e a C4 +ésteres de alcano,  -dicetonas, hidro-  -dicetonas AsteraceaeCrisinum arvenseC3Classes comp. Comuns

15 Composição (%) das Ceras Epicuticulares de Triticum aestivum var. Demar em três estádios de desenvolvimento da Planta Classes de Compostos Dias após Germinação Alcanos Ésteres lineares Aldeidos Alcóois primários  -dicetonas Hidroxi-  -dicetonas Ésteres de alcano - - 3

16 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

17 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

18 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.

19 Adaptação 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

20 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

21 Juncus sp. Acumula malato em condi- ções de ancharcamento Glucose Fosfato dehidroxiacetona Fosfoenolpiruvato piruvato acetaldeido Glicerol XiquimatoLactato etanol oxalacetato Aspartato Malato Alanina Passo redutor NADH 2 NAD Possíveis produtos finais da glicólise em condições de anoxia

22 Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em tecidos 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.

23 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

24 Efeitos Tóxicos produzidos por Metais 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)

25 Actividades das Fosfatases Ácidas em Raízes de Agrostis tenuis ||| / /| | Pb no solo (µM) Hidrolise de p-nitrofenilfosfato (µM /mm 2 de superfície da raiz h -1 ) Plantas de terrenos calcários ou ácidos Plantas de terrenos com chumbo

26 Utilização 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

27 Adaptação 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 Plantago maritima – população do Cabo da Roca

28 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

29 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 sal Tomateiro Glicófito resistente ao sal  Centeio “Arimar”  Chloris goyana Halófito  Atriplex spongiosa  Suaeda monoica

30 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

31 Compostos com Propriedades Moluscicidas Composto/Classe Material vegetal ppm% Mor tal. Espécie de caracol testada OutrasActividades Lematoxina (saponina triterp.) Phytolaca dodecandra Biomphalaria glabrata Fungicida Muzigadial (seaquiterpeno) Warburgia ugandensis 5.050B. glabrataBactericida Afinina (isobutilamina) Spilanthes sp Physa occidentalisInsecticida Calepensina (furanocumarina) Ruta chalepensis B. glabrata Potenciador de barbitur. Aflatoxina (furanocumarina) Aspergillus nigra B. tenagophila Carcinogéni co Ambrosina (lactona sesquiter) Ambrosia maritima 10100B.havanensis-

32 C 15 H 27 COOH OH Estrutura do ácido anacárdico O O CH 2 CH 3 O Estrutura de ambrosina – lactona sesquiterpénica

33 Interacções Hormonais Animais Plantas 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 endócrino Ausência de sistema endócrino. Trifolium sp. Koala

34 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 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.

35 Estrogéneos Vegetais CompostoMaterial Vegetal Concent. (mg Kg -1 ) Estrona Phoenix dactylifera (polen (sementes 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)

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

37 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.

38 Bases Bioquímicas de Resistência à Doença Classificação de Factores de Resistência a Doenças em Plantas Superiores ClasseDescrição Comp. Pré-Infecção Proibitinas ProibitinasMetabolitos que reduzem ou impedem o desenvolvimento de microrganismos in vitro. Comp. Pós- Infecção Pos.InibitinasFitoalexinas 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.

39 controlo Solução de Sulfato de Cobre Solução de espóros do fungo Botrytes cynerea FITOALEXINAS

40 Bioensaio e representação esquemática de uma cromatoplaca de extractos de sementes de Vicia peregrina Crescimento do micélio de Cladosporium herbarum Comp. fungitóxicos

41 Alelopatia 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.

42 Competição Consumo de recursos Alelopatia Efeito de compostos químicos Interferência Diferenças entre alelopatia e competição - esquemático

43 A experiência de Pickering (1917) Flor de Malus sp. gramíneas solo Rebentos de macieira Água


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