BIOQUÍMICA ECOLÓGICA Professora Responsável Maria Eugénia Webb, Ph.D. E-mail: ew@mail.fct.unl.pt Tm: 96 5 47 55 73 Gabinete 459 – Ed. Dep.

AVALIAÇÃO Bem Vindos Wellcome 1 Teste teórico (50%) 1 Monografia (50%) Bien Venue

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Número aproximado de estruturas Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal CLASSE Número aproximado de estruturas Distribuição Actividade 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. (CONT) Nitrogenados Comp. Comp. Fenólicos

Número aproximado de estruturas Principais Classes de Compostos Secundários de Origem Vegetal envolvidos nas interacções Planta/Animal (Cont.) CLASSE Número aproximado de estruturas Distribuição Actividade Fisiológica Monoterpenos 1 370 Óleos essenciais Cheiro agradável Lactonas sesquiterpénicas 750 Compositae 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 Tóxicos. Amargos Poliacetilenos 650 Umbeliferae Tóxicos (alguns comp.) Terpenóides Outros

Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais 1 - Adaptações explicáveis em termos moleculares (a) – Alteração da Estrutura Molecular - Qualitativo 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. (b) Alteração do Número de Moléculas - Quantitativo 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 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

Classificação de Tipos de Resposta apresentados por Plantas a Pressões Ambientais (cont.) 2 – Adaptações requerendo uma explicação em termos morfológicos ou comportamentais – 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”

Celulas Baínha dos Vasos Adaptação Bioquímica das Plantas ao Meio Ciclo em C4-modificação da via do carbono na fotossíntese Células do Mesófilo Celulas Baínha dos Vasos Sup.Folha Sacarose - amido PEP – fosfoenolpiruvato RuBP – ribulose 1,5 bifosfato carboxilase/oxigenase PGA – ácido fosfoglicerico

Cortes transversais de folhas de plantas em C4 mostrando a aglomeração de cloroplastos no interior das células que constituem as bainhas dos vasos condutores Foto MW Setaria splendida Nota: cortes transversais das folhas realizados em micrótomo de congelação. Fotos – microscopia óptica Foto MW Cenchrus ciliaris

Vias envolvidas na Síntese de Componentes das Ceras Epicuticulares “Pool” de Cadeias Acilo C20-C34 Descarboxilação Ésteres de Alcano  - dicetonas Hidroxi -  -dicetonas Alcanos Aldeídos--» Alcóois Ésteres Alcóois secundários Cetonas 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 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 Classes comp. Comuns

Hidroxi--dicetonas - - 18 Composição (%) das Ceras Epicuticulares de Triticum aestivum var. Demar em três estádios de desenvolvimento da Planta Dias após Germinação Classes de Compostos 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) 1 – Anterior à acção de baixas temperaturas -SH HS- -SH HS-

Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.) 2–Após ter sido submetido à acção de baixas temperaturas -S S- -S S-

Acção de Baixas Temperaturas na Estrutura Terceária de Proteínas – Teoria da Ponte de Dissulfito (Levitt, 1978) (CONT.) 3–Após ter descongelado S- S- -S -S 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 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. 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. Iris pseudacorus Acumula ácido shiquimico 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 Alnus incana Acumula glicerol durante época de excesso de água

Possíveis produtos finais da glicólise em condições de anoxia etanol Juncus sp. Acumula malato em condi-ções de ancharcamento Possíveis produtos finais da glicólise em condições de anoxia Xiquimato Lactato Glicerol Glucose Fosfato dehidroxiacetona Fosfoenolpiruvato piruvato acetaldeido etanol Malato oxalacetato Passo redutor NADH2 NAD Alanina Aspartato

Respostas possíveis ao desenvolvimento de anaerobiose em tecidos vegetais 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. 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.

Aerênquima Tricoma interno Espaço do aerênquima Céluas do 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

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)

Actividades das Fosfatases Ácidas em Raízes de Agrostis tenuis Plantas de terrenos com chumbo 4.0 - (µM /mm2 de superfície da raiz h-1) Hidrolise de p-nitrofenilfosfato 3.0 - Plantas de terrenos calcários ou ácidos 2.0 | | | / / | | 0 5 10 50 100 Pb no solo (µM)

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) Zinco – Typha latifolia Ouro – Sedum lanceolatum (Crassulaceae)

Adaptação à Salinidade Processa-se através de uma das seguintes vias: Acumulação de NaCl no interior do vacúolo Resistência à entrada de NaCl no interior da célula. Foto MW Armeria maritima – população do Cabo da Roca 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. Foto MW Plantago maritima – população do Cabo da Roca

Características bioquímicas dos Halófitos Acumulação de compostos nitrogenados Glicinabetaina Prolina O aumento dos níveis de “stress” salino faz aumentar a concentração em betaina, no interior da planta 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. O aumento da concentração em betaina é frequentemente acompanhado pelo aumento da concentração em prolina As experiências realizadas com Armeria maritima, demonstraram que a prolina é efectivamente um factor bioquímico adaptativo ao “stress” provocado pelo excesso de NaCl

Glicófito sensível ao sal Glicófito resistente ao sal 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 2 6.9 72 Glicófito resistente ao sal Centeio “Arimar” Chloris goyana 32 25 158 106 0.8 0.6 22 48 Halófito Atriplex spongiosa Suaeda monoica 177 385 246 462 1.3 5.7 2.0 3.7

Lycopersicon esculentum 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 A B Lycopersicon esculentum

Espécie de caracol testada Biomphalaria glabrata Compostos com Propriedades Moluscicidas Composto/Classe Material vegetal ppm % Mortal. Espécie de caracol testada Outras Actividades Lematoxina (saponina triterp.) Phytolaca dodecandra 1.5 90 Biomphalaria glabrata Fungicida Muzigadial (seaquiterpeno) Warburgia ugandensis 5.0 50 B. glabrata Bactericida Afinina (isobutilamina) Spilanthes sp. 100 Physa occidentalis Insecticida Calepensina (furanocumarina) Ruta chalepensis 2.0 Potenciador de barbitur. Aflatoxina (furanocumarina) Aspergillus nigra 0.5 B. tenagophila Carcinogénico Ambrosina (lactona sesquiter) Ambrosia maritima 10 B.havanensis -

Estrutura do ácido anacárdico CH3 COOH OH C15H27 Estrutura do ácido anacárdico CH3 O CH3 O CH2 O Estrutura de ambrosina – lactona sesquiterpénica

Interacções Hormonais Trifolium sp. 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 Estrutura química diversa: com base em purinas (citocininas), em amino ácidos (auxinas), em terpenos (giberelinas). Uma delas é um gás – o etileno. Incluídas em diversas classes de acordo com os seus efeitos. Presença de sistema endócrino Ausência de sistema endócrino. Koala

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. Viola sp. 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 Vegetais Composto Material Vegetal Concent. (mg Kg-1) Estrona Phoenix dactylifera (polen (sementes 0.40 3.3 Punica granatum (sementes) 17.0 Estriol Salix sp. (flores) 0.11 Malus pumila (sementes) 0.1 Estradiol-17- Phaseolus vulgaris (sementes) Testosterona Pinus sylvestris (polen)

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

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 Resistência à Doença Classificação de Factores de Resistência a Doenças em Plantas Superiores Classe Descrição Comp. Pré-Infecção Proibitinas Metabolitos que reduzem ou impedem o desenvolvimento de microrganismos in vitro. Comp. Pós- Infecção Pos.Inibitinas Fitoalexinas 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.

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

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

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.

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

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