17.4 Origem do nitrogênio dos aminoácidos

Figura 17.26 Doenças hereditárias relacionadas com o ciclo da ureia. A enzima deficiente em cada moléstia está indicada entre parênteses.

17.4 Origem do nitrogênio dos aminoácidos

Os diferentes organismos apresentam dependência muito variada do meio ambiente no que se refere ao suprimento de aminoácidos. Os vegetais e muitas bactérias são capazes de sintetizar todos os aminoácidos: o grupo amino é obtido a partir de amônia e a cadeia carbônica, a partir de carboidratos. Os seres humanos, por outro lado, dependem de fornecimento externo de aminoácidos.

A fonte primária de nitrogênio para os seres vivos é o nitrogênio atmosférico (N2), um gás muito pouco reativo, que deve ser convertido a

uma forma assimilável, a amônia (Figura 17.27 a). A conversão de N a 2 NH 3 é chamada fixação de nitrogênio.

Somente bactérias contêm a informação genética necessária para fixar nitrogênio. As bactérias fixadoras compreendem um grande número de espécies e habitam diversos nichos ecológicos, como solo, oceano, rios etc.; as de solo podem ser de vida livre (como os gêneros Azotobacter e Beijerinckia) ou estabelecerem simbiose. Associam-se a plantas pertencentes a todas as divisões taxonômicas, podendo localizar-se em diferentes partes da planta, como folhas, caules e raízes. O modo de interação das bactérias que fixam nitrogênio com as plantas hospedeiras é bastante variável. Azospirillum e diversos gêneros de cianobactérias, como Anabaena e Nostoc, colonizam estruturas vegetais preexistentes, que sofrem pequenas modificações para abrigar a bactéria simbionte. As bactérias endofíticas (Herbaspirillum, Burkholderia) ganham acesso ao sistema vascular e invadem diversos tecidos de plantas não leguminosas, em geral da família das gramíneas, como milho, arroz e gramas forrageiras. As bactérias da família Rhizobiaceae (Rhizobium e outros gêneros) invadem as raízes de plantas leguminosas (feijão, soja, ervilha) e induzem a diferenciação de nódulos complexos, equivalentes a um novo órgão do vegetal; atualmente são conhecidas cerca de 50 espécies bacterianas que estabelecem este tipo de simbiose.

A redução de N2 a NH3 é realizada por um complexo enzimático,

denominado nitrogenase, que utiliza ferredoxina reduzida (Seção 15.3) como doador de elétrons e processa-se com grande consumo de ATP. A equação geral do processo é

N2 + 8e– + 8H+ + 16 ATP + 16 H2O 2 NH3 + 16 (ADP + Pi) + H 2

A fixação de nitrogênio por simbiose é muito mais eficiente que a obtida por bactérias de vida livre, já que a planta fornece a energia necessária ao processo, por meio da oxidação de carboidratos produzidos por fotossíntese. A quantidade de amônia produzida pelas bactérias simbiontes excede as necessidades das leguminosas e é liberada no solo, contribuindo decisivamente para o seu enriquecimento em nitrogênio. A simbiose Rhizobiaceae/leguminosas é o processo de fixação de nitrogênio mais eficiente. Esta é a razão da técnica de rotação de culturas, empregada na agricultura: o cultivo de plantas não leguminosas é alternado com o de leguminosas.

Uma abordagem alternativa à rotação de culturas, que reduz os altos custos da produção industrial de fertilizantes e os danos que causam ao meio ambiente, é o desenvolvimento de plantas não leguminosas transgênicas capazes de fixar nitrogênio. Todavia, além da transferência dos genes que codificam o complexo nitrogenase, é preciso criar condições para que a enzima funcione na planta geneticamente modificada. Por exemplo, a nitrogenase é inativada por oxigênio. Nas leguminosas, este problema é resolvido pela presença, nos nódulos das raízes, de uma proteína com alta afinidade por O2, a leg-hemoglobina, que contém um grupo heme, como a hemoglobina. A simbiose é indispensável para a sua síntese: a globina é sintetizada pela leguminosa e o grupo heme pela bactéria.

A síntese industrial de fertilizantes para a agricultura vem produzindo uma proporção crescente de NH3, correspondendo atualmente a cerca de 25% do total fixado por ano. Uma fração menor de nitrogênio, de 10 a 15%, é fixada por processos não biológicos, como descargas elétricas e radiação ultravioleta.

A amônia presente no solo é, em grande parte, convertida a nitritos e em seguida a nitratos, por bactérias dos gêneros Nitrosomonas e Nitrobacter, respectivamente. As plantas não leguminosas e a maioria das bactérias possuem enzimas capazes de reduzir nitritos e nitratos a amônia, que pode ser, então, utilizada na síntese de aminoácidos e de todos os outros

compostos nitrogenados (Figura 17.27 a). Os animais, enfatizando mais uma vez, obtêm todo o nitrogênio necessário para a síntese de seus compostos nitrogenados na forma de aminoácidos, sintetizados por outros organismos.

A reposição de N2 na atmosfera é feita por bactérias e outros microrganismos que decompõem os organismos mortos e seu nitrogênio gera amônia; esta é convertida a nitritos e nitratos, que podem ser

reconvertidos a N (Figura 17.27 b). Na década de 1980, foi descoberto um 2

importante processo biológico de geração do gás N2, a oxidação anaeróbia de amônia, denominada anammox (anaerobic ammonium oxidation) — NH é oxidada a N , utilizando nitrito como aceptor de elétrons, via 3 2

intermediários que incluem hidrazina (N2H4), um composto extremamente tóxico, usado na fabricação de propelentes de foguetes. O processo é realizado por algumas espécies de bactérias exóticas, as planctomicetes, que apresentam organelas, ao contrário dos demais procariotos, e que são destinadas a isolar a via do restante da célula. São amplamente distribuídas, inclusive nos ambientes mais inóspitos. As planctomicetes anammox, graças à capacidade de eliminar amônia, têm sido empregadas no tratamento de esgotos sanitários.