Absorção e translocação de herbicidas

Absorção e translocação de herbicidas

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Capítulo 8 - ABSORÇÃO E TRANSLOCAÇÃO DE HERBICIDAS Rubem Silvério de Oliveira Jr. e Marcos Antonio Bacarin

Resumo: Com exceção dos herbicidas que apresentam ação fitotóxica de contato, os demais herbicidas devem ser absorvidos e translocados nas plantas para exerceram seu papel. A absorção pode ocorrer por meio de estruturas vegetais antes da emergência, de folhas e de caules. Os processo de absorção dependem de associações entra características físico-químicas das células vegetais e dos herbicidas, principalmente no que se refere à afinidade com membranas celulares. Os mecanismos de transporte pela membrana variam entre os herbicidas, podendo ser passivos ou ativos. A absorção e a translocação de herbicidas aplicados às folhas é influenciada por diversas características anatômicas e fisiológicas das plantas, além de características químicas das formulações dos herbicidas, as quais são discutidas nesse capítulo.

1. Absorção de herbicidas aplicados ao solo Absorção pelas partes aéreas entre a germinação e a emergência

A absorção através de estruturas vegetais jovens entre a germinação e a emergência é um sítio de entrada importante para muitos herbicidas aplicados ao solo que são ativos em sementes em germinação ou em pequenas plântulas. A parte aérea, antes da emergência, tem uma cutícula muito pouco desenvolvida, praticamente desprovida de camadas de cera, tornando-a mais permeável aos herbicidas, sendo uma rota de entrada particularmente importante para a entrada de herbicidas em muitas espécies de gramíneas. Além disso, a faixa de Caspary não está presente nestes tecidos.

Alta pressão de vapor dos herbicidas tende a favorecer a absorção através dessas estruturas (Barrentine & Warren, 1971). Em geral, as gramíneas têm mostrado maior absorção de herbicidas por essa via do que as dicotiledôneas. Exemplos de famílias de herbicidas com toxicidade para gramíneas que são absorvidos pela parte aérea em emergência são apresentados na Tabela 1. Em geral, os herbicidas que penetram em plântulas através do hipocótilo e da radícula também causam injúrias nestas regiões.

Tabela 1. Famílias de herbicidas e exemplos de ingredientes ativos que podem ser absorvidos no solo pelas partes aéreas emergentes.

Famílias químicas Herbicidas

Acetanilidas Acetochlor, alachlor, butachlor, metolachlor Difenilésteres Oxyfluorfen Dinitroanilinas Trifluralin, pendimethalin Tiocarbamatos EPTC, butylate, molinate

Fonte: Compilado de Dawson & Appleby (1994) e Rodrigues & Almeida (1998).

Movimento radial de herbicidas

A entrada pelas raízes não é tão limitada quanto pelas folhas, uma vez que nenhuma camada significativa de cera ou cutícula está presente nos locais onde a maior parte da absorção ocorre. A rota mais importante de entrada é a passagem do herbicida junto com a água através dos pêlos radiculares nas extremidades das raízes. Os pêlos radiculares são responsáveis por um aumento significativo da área disponível para a absorção de água e de herbicidas.

As raízes são órgãos responsáveis pela sustentação das plantas e pela absorção de água e sais minerais a partir do solo. Caracterizam-se por apresentarem epiderme desprovida de cutícula, embora em algumas espécies possa ocorrer a cutinização da parede celular do lado mais externo das células da epiderme.

Embora não exista nenhuma barreira cuticular na zona dos pêlos radiculares, existe uma barreira lipídica localizada na endoderme da raiz. Nesses tecidos, todas as paredes radiais contém uma banda fortemente impregnada com suberina (faixa de Caspary), e esta barreira é conhecida por ser impermeável à água. Na endoderme, a água que se move em direção ao xilema deve penetrar no simplasto. O que acontece aos herbicidas neste ponto não está completamente claro. Sabe-se, no entanto, que a faixa de Caspary não está presente nos ápices radiculares de células endodérmicas jovens e na região basal de raízes laterais em desenvolvimento (Luxová & Champorová, 1992), o que pode representar uma importante rota de passagem dos herbicidas do apoplasto para o simplasto (Figura 1).

Figura 1. Corte longitudinal da ponta da raiz, indicando o movimento pelo simplasto e apoplasto. Fonte: Malavolta et al. (1989).

Penetração no simplasto

Para que um soluto entre ou saia do protoplasto da célula ou de uma organela interna, ele deve atravessar a membrana celular pelo menos uma vez. Dependendo da natureza do soluto, duas rotas para o movimento através da membrana podem ser possíveis; uma passiva, relacionada somente à diferença de concentração do soluto entre dois pontos diferentes, ou seja, a favor do gradiente de potencial eletroquímico, e uma outra ativa, com gasto de energia metabólica, pois o movimento de partículas ocorre contra o seu gradiente de potencial eletroquímico.

Transporte passivo

Considera-se que o movimento da maioria dos herbicidas pela membrana seja passivo, por difusão simples através da bicamada lipídica, embora alguns ocupem carregadores bastante específicos.

A membrana plasmática é uma estrutura lipoprotéica, extremamente fina (8 a 10 nm), que separa o protoplasto do meio exterior. Constitui uma barreira à livre movimentação de solutos, controlando o fluxo destes para dentro e para fora das células. Consiste de uma dupla camada lipídica com o exterior hidrofílico e o interior lipofílico, na qual encontram-se imersos grupamentos protéicos.

Salisbury & Ross (1990) postularam quatro conceitos básicos com respeito à difusão passiva através da membrana plasmática, os quais podem ser considerados fundamentais para o entendimento do processo:

• As células devem estar em funcionamento normal. Quando em funcionamento anormal, a permeabilidade aumenta para todos os solutos.

• Moléculas de água e gases dissolvidos (O2, CO2, N2) penetram livremente nas células. • Moléculas hidrofílicas penetram através das membranas numa taxa inversamente relacionada ao seu tamanho molecular.

• Moléculas lipofílicas penetram as membranas numa taxa diretamente relacionada a sua solubilidade lipofílica, e esta taxa é independente de seu tamanho molecular.

Movimento de solutos através da membrana por difusão

Se um soluto é suficientemente solúvel em lipídeos, o movimento direto através da bicamada lipídica da membrana pode ser possível. Para que este tipo de movimento aconteça, um soluto presente na solução aquosa deve primeiro se dissolver no interior hidrofóbico da membrana, mover-se pela bicamada, e então reentrar a solução aquosa no outro lado da membrana. Quando isto acontece por difusão, o movimento de soluto através da membrana ocorre a partir de uma maior concentração para uma menor concentração numa taxa descrita por Briskin (1994) como:

φ = DjKj(C0-Ci)/Δx Onde:

φ é o fluxo de soluto através da membrana; Co e Ci são respectivamente as concentrações externa e interna do soluto em relação à membrana; Dj é o coeficiente de difusão do soluto na membrana; Kj é o coeficiente de partição e Δx representa a espessura da bicamada lipídica. O gradiente de concentração do herbicida através da membrana representa, portanto, o

“tamanho” da força motriz que move o herbicida através da membrana.

Além do gradiente de concentração, um outro fator muito importante para a difusão é o coeficiente de partição de herbicida dentro da membrana, que indica maior ou menor facilidade de passagem do soluto através da membrana. Herbicidas lipofílicos são capazes de se difundir mais livremente do que os hidrofílicos. As propriedades lipofílicas/hidrofílicas dos herbicidas podem ser estimadas por meio da determinação do seu coeficiente de partição octanol-água (Kow).

Critérios experimentais que suportam a hipótese da difusão passiva de herbicidas incluem a saturação da absorção após o período de equilíbrio das concentrações, absorção de herbicidas em taxas linearmente relacionadas às concentrações externas, rápido efluxo do herbicida, coeficiente de absorção em função da temperatura (Q10) menor do que 2 e insensibilidade a inibidores metabólicos (Sterling, 1994).

Moléculas de herbicida em contato com a raiz parecem se mover para dentro por simples difusão. Price & Balke (1982) demonstraram, por exemplo, que a concentração de atrazine dentro de raízes destacadas de Abutilon theophrasti se torna igual à concentração externa em 30 minutos e que não se acumulam internamente concentrações acima da concentração externa. Além disso os valores de Q10 para a absorção de atrazine neste tecido foram entre 1,3 e 1,4, sugerindo uma movimento por difusão passiva.

Transporte ativo

Para os íons e para as substâncias que contém grupamentos polares, o ambiente hidrofílico do interior da bicamada lipídica representa uma barreira significativa ao movimento através da membrana. O movimento transmembrana desses solutos envolve necessariamente a atividade de proteínas que funcionam como sistemas de transporte. Estes sistemas associados às membranas podem ser classificados como “bombas”, “carregadores” ou “canais”.

Bombas iônicas

Pelo termo bomba iônica, entende-se uma proteína complexa ligada à membrana, imersa na sua camada lipídica e capaz de transportar (“bombear”) íons do ambiente exterior para dentro da célula ou de seus componentes. Uma propriedade dessas bombas é a sua capacidade de transportar íons contra um gradiente eletroquímico, com gasto de energia metabólica (Kolek & Holobradá, 1992).

Embora algumas proteínas componentes da membrana tenham funções relacionadas aos processos metabólicos que ocorrem dentro das plantas, outras estão envolvidas no transporte de substâncias através da membrana. A mais importante destas proteínas é a H+- ATPase, envolvida no estabelecimento e na manutenção de um gradiente de íons H+ entre o citossol e o meio externo. As bombas, por serem sistemas de transporte que unem reações químicas de liberação de energia (por exemplo a hidrólise de ATP) ao movimento transmembrana de uma substância são normalmente chamadas “sistemas de transporte primário” (Figura 2). Considera-se que as bombas iônicas possam transportar qualquer íon em uma direção e que são capazes de formar um potencial elétrico negativo na membrana. A extrusão de H+ por meio dessas bombas, com gasto de ATP, gera um gradiente de pH ou de cargas elétricas, os quais são considerados atualmente como as forças motrizes para o transporte de cátions, ânions e de substâncias orgânicas como aminoácidos e sacarídeos (Kolek & Holobradá, 1992). Com o funcionamento da ATPase, um gradiente de pH de 1,7 unidades (ou mais) é estabelecido entre os lados da membrana na maioria das células (o lado externo à membrana tem um pH entre 5,0-5,5, ao passo que o citoplasma tem pH 7,2-8,0). Segundo Dan Hess (1994a), o gradiente de íons H+ e os gradientes eletroquímicos são importantes para muitos processos nas células vegetais, incluindo o movimento de alguns herbicidas através das membranas.

Carregadores

Outras proteínas de transporte em membranas são os “carregadores” e os “canais”.

Estes sistemas de transporte não estão conectados diretamente a reações químicas, e gastam indiretamente a energia de gradientes eletroquímicos produzidos pelo transporte ativo primário, sendo denominados “sistemas de transporte secundários”.

No caso dos carregadores, o movimento transmembrana ocorre em face de uma série de mudanças conformacionais na proteína, associadas à ligação, translocação através da membrana e liberação da substância. Os carregadores podem mover substâncias iônicas e não iônicas através da membrana. Se apenas uma substância move-se através da membrana, é denominado de carregador uniporte (Figura 2). O movimento de uma substância pode estar ligado ao movimento de uma outra substância (usualmente íons H+) na mesma direção (simporte) ou em direção oposta (antiporte) (Figura 2).

Até o momento, sabe-se que apenas três herbicidas movem-se através da membrana plasmática por intermédio de processos mediados por carregadores. São eles o paraquat, o 2,4- D e o glyphosate. Segundo Sterling (1994), as duas características que indicam o envolvimento de carregadores na absorção de herbicidas são o acúmulo contra o gradiente de concentração e a redução da absorção na presença de inibidores metabólicos.

Figura 2. Acoplamento energético para transporte de solutos (S) através da ação dos sistemas de transporte primário e secundário. O transporte ativo primário acopla uma reação química como a hidrólise do ATP (substrato) a ADP (produto) ao transporte de prótons através da membrana. O potencial elétrico e de pH através da membrana podem ser utilizados pelos sistemas de transporte secundários tais como o uniporte, antiporte e a difusão através de canais. Fonte: Briskin (1994).

Donaldson et al. (1973) foram os primeiros a demonstrar que a absorção de 2,4-D, em raízes de cevada, era dependente do suprimento de energia metabólica. Posteriormente, Rubery (1977) concluiu que havia um componente saturável mediado por carregadores na absorção do 2,4-D, além da difusão passiva do ácido não dissociado. Estas evidências suportam, de forma consistente, a hipótese de que exista um carregador envolvido no mecanismo de movimentação do 2,4-D através das membranas.

Em solução aquosa, o paraquat existe na forma de cátion divalente, sendo improvável que ele se difunda passivamente através da bicamada lipídica das membranas celulares. Até recentemente, no entanto, poucas evidências tinham sido mostradas para um mecanismo de transporte do paraquat em membranas de células vegetais.

Evidências recentes (Hart et al., 1992) sugerem que o paraquat é absorvido por células da epiderme e do córtex radicular de raízes de milho via um sistema mediado por proteínas, que funciona normalmente no transporte de diaminas através da membrana. Neste trabalho, os autores propõem que a putrescina e o paraquat compartilham um sistema de transporte comum na plasmalema.

A especificidade de ligação ao substrato parece estar relacionada à distribuição de cargas positivas dos grupamentos amina. As distâncias de cargas das poliaminas (putrescina e cadaverina) são similares à do paraquat e ambas inibem competitivamente a absorção de paraquat. Experimentos recíprocos também mostram que o paraquat pode inibir o componente saturável da absorção da putrescina e da cadaverina. A força motriz para este carregador parece ser a diferença de potencial elétrico através da membrana plasmática (DiTomaso et al., 1992), que está entre -120 e -200 mV. Estes mesmos estudos mostram que o sistema de transporte de poliaminas não é o mesmo sistema carregador usado para cátions divalentes inorgânicos (como o cálcio e o magnésio).

A absorção de paraquat por um sistema que normalmente funciona no transporte da putrescina (que é uma substância biologicamente abundante em células de plantas) poderia explicar a natureza praticamente não seletiva deste herbicida.

O glyphosate inibe a absorção de fosfato em Vicia faba e protege, parcialmente, o transporte de fosfato da inibição pelo ácido fosfonofórmico. Variando-se a concentração, observa-se que a absorção de glyphosate exibe uma fase saturável em baixas concentrações do herbicida (0,5 a 3 μM), e uma outra fase de absorção linear em concentrações mais altas (maiores que 100 μM). A absorção de glyphosate é inibida por inibidores metabólicos, como o ácido para-cloromercuribenzeno sulfônico, azida sódica e carbonil-cianeto-m-clorofenilhidrazona, sendo que a inibição é muito maior em baixas concentrações do que em altas concentrações do produto. A cinética de absorção indica que o componente saturável do transporte de glyphosate é competitivamente inibido tanto por fosfato quanto pelo ácido fosfonofórmico. Conclui-se que o carregador de fosfato é capaz de ligar-se ao glyphosate e transportá-lo através da membrana (Denis & Delrot, 1993).

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