Herbicidas inibidores da fotossíntese

O conhecimento do mecanismo de ação de herbicidas é fundamental na avaliação de sua eficácia na agricultura e na compreensão do seu impacto ambiental.

Há uma gama muito ampla de defensivos agrícolas para o controle de pragas (insetos), doenças e plantas daninhas. Estes produtos, no Brasil, são comercializados com autorização e registro junto ao Ministério da Agricultura sob normas específicas de manipulação e cuidados, as quais controlam o impacto ambiental destes nos agroecossistemas (CRUCIANI et al.,1996).

Os herbicidas inibidores da fotossíntese são amplamente empregados na agricultura brasileira nas culturas de Zea mays (milho), Saccharum

officinarum (cana-de-açúcar), Glycine max (soja), fruteiras, hortaliças, entre

outras. Esta classe de herbicidas é uma das mais importantes em todo o mundo. Pode-se citar como características principais destes produtos a atuação sobre as espécies alvo quando: a taxa de fixação de CO2 declina poucas horas após o tratamento; não apresentam problemas de volatilização e apresentam baixa toxicidade para mamíferos (COBB e KIRKWOOD, 2000; http://www.cnpma.embrapa.br/herbicidas/).

Todo o processo fotossintético pode ser dividido em três etapas: 1) o processo de absorção e aprisionamento de luz, até os centros de reação dos fotossistemas I e II (PSI e PSII); 2) o transporte de elétrons e prótons entre os cofatores redoxs através dos complexos protéicos de toda a cadeia fotossintética, permitindo, além disso, uma separação de cargas; 3) catálise redox multieletrônica gerando hidrogênio e oxigênio nos sítios enzimáticos como “clusters” metálicos de hidrogenase com o complexo de evolução de oxigênio (centro de reação silencioso/ OEC) no fotossistema II, FIGURA 1 (ANDREIADIS et al.,2011).

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FIGURA 1. Processo fotossintético observado em três etapas (ANDREIADIS et al.,2011).

Os pigmentos, as proteínas e outras substâncias químicas envolvidas na reação da fotossíntese estão localizados nos cloroplastos. Em condições normais, sem a interferência de inibidores fotossintéticos, durante a fase fotoquímica, a energia luminosa capturada pelos pigmentos (clorofila e carotenóides) é transferida para um “centro de reação” especial (P680), gerando um elétron “excitado”. Este elétron é transferido para uma molécula de plastoquinona localizada na membrana tilacóide do cloroplasto (QA). A molécula de plastoquinona “QA” transfere o elétron para outra molécula de plastoquinona (PQ), que se reduz a plastoquinol, chegando no citocromo b6f, em seguida até a plastocianina (PC) localizadas na mesma proteína (SING et al., 2008). A captura de dois prótons a partir do estroma é também requerida para a formação do plastoquinol. A difusão do platoquinol ocorre através da camada lipídica da membrana tilacoidal ao complexo citocromo b6f, onde dois elétrons são transferidos ao complexo e dois prótons são liberados ao espaço intra-tilacóide. Consequentemente, a transferência de elétrons da molécula de água ao b6f está associada com a geração de próton, através da membrana, devido a uma diferença de potencial eletroquímico, resultante da oxidação da água pelo PSII no lado do lumen da membrana tilacóide e a ciclo redução-

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oxidação da plastoquinona. A captura de prótons envolvida na redução de NADP+ no estroma também contribuirá para a criação de uma diferença de potencial transmembrana que pode ser usada para guiar a síntese de ATP, através do fator acoplamento. A ferredoxina transfere elétrons para o NADP+, e a reação é catalisada pela redutase de ferredoxina-NADP+ uma flavoproteína solúvel, com um grupo de flavina adenina dinucleotídeo protético (FAD). O FAD oxidado aceita dois elétrons e dois prótons a partir de duas moléculas de ferredoxina reduzida para formar FADH2, e essa enzima transfere um hidreto para NADP+ para reduzir a NADPH. De maneira simplificada, a função da plastocianina é transferir elétrons do fotossistema II (P680) para o fotossistema I (P700) FIGURA 2.

FIGURA 2. Esquema em Z da fotossíntese através dos quatro principais complexos protéicos (TAIZ E ZEIGER,2009)

A constante busca por novas moléculas herbicidas é necessária para manter o equilíbrio da natureza, o qual há tempos vem sofrendo variações ocasionadas por atividades humanas junto à agricultura contra as plantas daninhas. O conhecimento das reações envolvidas na fotossíntese leva ao desenvolvimento de herbicidas com novo sítios e mecanismos de ação, com baixa toxicidade para seres humanos e ao meio ambiente. Hoje a busca de herbicidas ecologicamente corretos, ou seja, mais seletivos, com faixa de ação

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a baixas concentrações, com custos reduzidos, vêm sendo explorados a partir de ensaios de inibição das funções fotossintéticas.

1.1.2 Mecanismo do transporte fotossintético de elétrons

O mecanismo de funcionamento do transporte de elétrons dentro dos fotossistemas I e II só pode ser mensurado com a utilização de alguns reagentes químicos que se comportam como doadores ou aceptores de elétrons artificiais. Para localizar o sítio de ação de um determinado composto dentro do PSII e PSI é necessário medir o processo de transporte parcialmente, pois assim é possível sugerir onde o efeito do composto está atuando.

No PSII utiliza-se o Tris (2-amino-2-hidroximetil-propen-1,3-diol), o DPC (difenilcarbazida), o SiMo (silicomolibdato de sódio), o DCMU [3-(3',4'- diclorofenil)-1,1-dimetilureia], DCPIP (2,6-Diclorofenol indofenol) e DCBQ (2,5- dicloro-p-benzoquinona); e no PSI são usados o KCN (cianeto de potássio), o DBMIB (2,5-dibromo-6-isopropil-3-metil-1,4-benzoquinona), o DCPIPred (2,6- Diclorofenol indofenol), o TMQ (trimetilbenzoquinina), o MV(metil viologênio- Paraquat) e o PMS (fenilmetasulfato).

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Os doadores e aceptores de elétrons artificiais, com eficiência comprovada, funcionam simulando as etapas da cadeia transportadora de elétrons, permitindo que o efeito dos compostos seja avaliado parcialmente. O esquema abaixo mostra a atuação destes doadores e aceptores na cadeia transportadora de elétrons.

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Esquema 1- Representação da simulação in vitro do processo fotossintético.

O DCMU e o paraquat (MV) são herbicidas comerciais que têm seus mecanismos de ação esclarecidos, e atuam em diferentes partes da cadeia fotossintética: o DCMU atua bloqueando o fluxo de elétrons nos aceptores quinona do fotossistema II, competindo pelo sítio de ligação da plastoquinona que é em geral ocupado pela QB; e paraquat age aceitando elétrons do aceptor primário do fotossistema I, reagindo com o oxigênio para formar superóxidos, O2-. Ambos funcionam como aceptores de elétrons nos ensaios in vitro, sendo o paraquat (MV) o aceptor final nas reações globais de transporte de elétrons basal, fosforilante e desacoplado (TAIZ E ZEIGER,2009).

Essas reações quantificam, de modo geral, se uma amostra está afetando o transporte de elétrons da H2O ao MV, onde no estado basal os cloroplastos encontram-se desenergizados, no fosforilante o transporte ocorre em todo o ciclo até a fosforilação e no desacoplado mede a diminuição do fluxo de elétrons em função da desordem do gradiente de prótons (TAIZ E ZEIGER, 2009). 4 DPC SiMo H2O ? OEC ? PSII ? Ph ? QA? QB ? PQ ? Cyt b6f ? PC ? PSI ? A0? A1? Fe-S Tris DCMU DCPIP TMQH2 DBMIB DCPIPred KCN PMS MV I II III IV V VI VII