Biochimica e fisiologia della pianta coltivata

Introduzione alla biochimica

La biochimica si occupa dello studio dei processi chimici negli organismi viventi. È basata sullo studio delle strutture e funzioni dei singoli componenti cellulari (proteine, carboidrati, lipidi, acidi nucleici)[1]

Fondamenti di biologia

L’uniformità e l’eterogeneità degli organismi viventi risultano evidenti anche a livello cellulare. Gli organismi più piccoli consistono di una singola cellula e non sono visibili a occhio nudo. Gli organismi più grandi sono costituiti da più tipi di cellule, diverse per dimensioni, forme e funzioni svolte. Ma tutte le cellule, da quelle degli organismi più semplici a quelle degli organismi più complessi, hanno in comune alcune proprietà fondamentali, che possono essere apprezzate soprattutto a livello biochimico.

• Tutte le cellule sono circondate da una membrana plasmatica. Hanno anche un corredo di geni, localizzati in un nucleoide (batteri e archea) o nel nucleo (eucarioti).
• Tutti gli organismi necessitano di una fonte di energia per poter svolgere il lavoro cellulare.
• Le cellule eucariotiche possiedono un nucleo e molti compartimenti. Alcuni processi avvengono in organelli specializzati.
• Le proteine del citoscheletro si organizzano in lunghi filamenti che conferiscono alla cellula forma e rigidità, su cui si muovono gli organelli all’interno della cellula.
• I complessi sopramolecolari sono tenuti insieme da interazioni non covalenti e formano una gerarchia di strutture[2]

Fondamenti di chimica

La biochimica si propone di spiegare le forme biologiche e le loro funzioni in termini chimici. L’idea attuale che tutti gli organismi abbiano un’origine comune è basata in parte sull’universalità delle trasformazioni chimiche e degli intermedi chimici, che va spesso sotto il nome di “unitarietà biochimica”.

Meno di 30 dei più di 90 elementi chimici che si trovano in natura sono essenziali per gli organismi viventi. La maggior parte degli elementi che compongono la materia vivente ha numeri atomici relativamente bassi. Solo due hanno un numero atomico superiore a quello del selenio (34).

I quattro elementi più abbondanti negli organismi viventi, espressi come percentuale del numero totale di atomi, sono l’idrogeno, l’ossigeno, l’azoto e il carbonio, che nell’insieme formano più del 99% della massa della maggior parte delle cellule. Sono gli elementi più leggeri, in grado di formare rispettivamente 1, 2, 3 e 4 legami.

1- Per la sua versatilità nel formare legami, il carbonio può dare origine a un’ampia gamma di scheletri carboniosi, con diversi gruppi funzionali; sono questi gruppi funzionali che conferiscono alle biomolecole non solo le proprietà chimiche, ma anche quelle biologiche.

Nelle cellule viventi sono presenti circa un migliaio di piccole molecole, pressoché ubiquitarie.

Le proteine e gli acidi nucleici sono polimeri lineari costituiti da semplici unità monomeriche; le loro sequenze contengono l’informazione che conferisce a ciascun polimero la sua struttura tridimensionale e la sua funzione biologica.

La configurazione molecolare può essere cambiata solo rompendo i legami covalenti. Per ogni atomo di carbonio i quattro gruppi sostituenti diversi (carbonio chirale) possono essere disposti in due modi diversi, generando stereoisomeri con proprietà diverse. La conformazione molecolare, invece, è la posizione degli atomi nello spazio e può essere cambiata semplicemente ruotando i legami intorno ai loro assi.

Le interazioni tra le molecole di interesse biologico sono quasi sempre stereospecifiche e richiedono un adattamento preciso tra strutture complementari.

Rappresentazione delle molecole

3 modi per rappresentare la struttura dell’amminoacido alanina (qui nella forma ionica a pH neutro).

• Formula di struttura in prospettiva. Il simbolo ( ) indica un legame in cui l’atomo all’estremità più larga del simbolo si proietta al di fuori del piano del foglio, verso il lettore; lo stesso simbolo tratteggiato ( ) rappresenta un legame che si proietta sotto il piano del foglio.
• Modello a palle e bastoncini che mostra le lunghezze relative dei legami e gli angoli che essi formano.
• Modello spaziale, in cui ogni atomo è riportato con un raggio di van der Waals proporzionale alle sue dimensioni reali.

Configurazione degli isomeri geometrici

Isomeri come l’acido maleico e l’acido fumarico (fumarato) non possono essere convertiti l’uno nell’altro senza rompere i legami covalenti.

(b) Asimmetria molecolare: molecole chirali e molecole achirali. Quando un atomo di carbonio presenta quattro gruppi sostituenti diversi (a, b, X, Y), essi possono disporsi intorno al carbonio in due modi diversi, che rappresentano le immagini speculari non sovrapponibili l’uno dell’altro (enantiomeri). Quando un atomo di carbonio è asimmetrico viene chiamato anche atomo chirale o centro chirale. 2[3]

Fondamenti di fisica

Le cellule e gli organismi viventi devono compiere un lavoro per rimanere vivi e per riprodursi. Le reazioni di sintesi che si svolgono nelle cellule, come i processi di sintesi in una fabbrica, richiedono un apporto di energia.

Nel corso dell’evoluzione le cellule hanno sviluppato meccanismi altamente efficienti per accoppiare l’energia ottenuta dalla luce solare o da combustibili chimici con i molti processi che consumano energia. Uno degli obiettivi della biochimica è comprendere, in termini quantitativi e chimici, i meccanismi deputati all’estrazione, all’incanalamento e al consumo di energia nelle cellule viventi.

Le conversioni energetiche cellulari, come le altre conversioni di energia, possono essere considerate nel contesto delle leggi della termodinamica.

Le cellule sono sistemi aperti, che scambiano materia ed energia con l’ambiente circostante, estraendo e incanalando l’energia per mantenere uno stato stazionario dinamico, lontano dall’equilibrio.

La tendenza di una reazione chimica a procedere verso l’equilibrio può essere espressa dalla variazione di energia libera, ΔG.

• Quando il ΔG di una reazione è negativo, la reazione è esoergonica e tende ad andare a compimento;
• Quando il ΔG è positivo, la reazione è endoergonica e tende ad andare nella direzione opposta.
• Quando due reazioni sono accoppiate e generano una terza reazione complessiva, il ΔG della reazione globale è dato dalla somma dei ΔG delle due reazioni separate.

La variazione di energia libera standard di una reazione, ΔG°, è una costante fisica correlata alla costante di equilibrio dall’equazione ΔG° = - RT 1n K .eq

La maggior parte delle reazioni cellulari procede a velocità consone alle necessità della cellula, grazie agli enzimi che le catalizzano. Gli enzimi agiscono riducendo l’energia di attivazione, ΔG ‡, e aumentando la velocità di reazione di molti ordini di grandezza.

Il metabolismo è la somma di molte reazioni tra loro correlate, che interconvertono i metaboliti cellulari.[4]

Fondamenti di genetica

Tra le scoperte fondamentali in campo biologico nel XX secolo vi è sicuramente la definizione della natura chimica e della struttura tridimensionale del materiale genetico, l’acido deossiribonucleico o DNA.

La sequenza delle subunità monomeriche, i nucleotidi (più precisamente i deossiribonucleotidi), di questo polimero lineare contiene le istruzioni per formare tutti gli altri componenti cellulari e fornisce uno stampo per la produzione di altre molecole di DNA identiche da distribuire alla progenie quando la cellula si divide.

Per la perpetuazione di una specie biologica è necessario che la sua informazione genetica sia mantenuta in una forma stabile, sia espressa accuratamente nella forma di prodotti genici e sia riprodotta con il minimo di errori. L’immagazzinamento, l’espressione e la riproduzione del messaggio genetico sono proprietà caratteristiche delle singole specie, che le distinguono le une dalle altre e assicurano la loro continuità nelle generazioni.

L’informazione genetica è codificata nella sequenza lineare di quattro deossiribonucleotidi nel DNA. La doppia elica del DNA contiene uno stampo interno per la sua replicazione e riparazione.

Le molecole del DNA sono straordinariamente grandi. Nonostante la dimensione enorme, la sequenza dei nucleotidi all’interno del DNA è molto precisa e costituisce la base della continuità genetica degli organismi. 3

La sequenza lineare degli amminoacidi di una proteina, codificata nel DNA del gene per quella proteina, produce un’unica struttura tridimensionale della proteina, secondo un processo che dipende anche dalle condizioni dell’ambiente.

Dal DNA all’RNA alla proteina all’enzima

Dal DNA all’RNA alla proteina all’enzima (esochinasi). Una sequenza lineare dei deossiribonucleotidi del DNA (il gene) che codifica la proteina esochinasi viene prima trascritta in una molecola di acido ribonucleico (RNA) con una sequenza complementare di ribonucleotidi. La sequenza dell’RNA (RNA messaggero) viene quindi tradotta nella catena lineare dell’esochinasi, che si ripiega nella sua forma nativa tridimensionale, molto probabilmente con l’aiuto di chaperoni molecolari. Una volta nella sua forma nativa, l’esochinasi acquista la sua attività catalitica, la fosforilazione del glucosio, usando l’ATP come donatore del gruppo fosforico.

Complementarità delle due catene del DNA

Il DNA è un polimero lineare costituito da quattro tipi di deossiribonucleotidi diversi: deossiadenilato (A); deossiguanilato (G); deossicitidilato (C) e deossitimidilato (T), uniti tra loro da legami covalenti. Ogni nucleotide, con la sua peculiare struttura tridimensionale, può associarsi specificamente, ma in modo non covalente, con un altro nucleotide della catena complementare: A si associa sempre con T, e G con C. Quindi, nella molecola a doppia elica del DNA, la sequenza dei nucleotidi in una catena è complementare alla sequenza dell’altra catena.

Le due catene del DNA, tenute insieme da un gran numero di legami idrogeno (rappresentati dalle linee verticali blu) tra le coppie di nucleotidi complementari, si avvolgono l’una sull’altra, formando la doppia elica tipica del DNA. Nella replicazione del DNA le due catene (in blu) si separano e vengono sintetizzate due nuove catene, ciascuna con una sequenza complementare a una delle catene del filamento originario. Il risultato è la formazione di due molecole a doppia elica esattamente uguali fra loro e al DNA originario. 4

L’acqua e le cellule vegetali

L’acqua nella vita della pianta

L’acqua gioca un ruolo cruciale nella vita dei vegetali. La fotosintesi richiede da parte delle piante la cattura del biossido di carbonio dall’atmosfera, ma questo le espone alla perdita d’acqua e alla minaccia di disidratazione. Per evitare che le foglie secchino l’acqua deve essere assorbita dalle radici e trasportata attraverso il corpo vegetale.

Anche piccoli sbilanci fra assorbimento e trasporto d’acqua, come anche la perdita nell’atmosfera, possono causare deficit idrici e danni consistenti a numerosi processi cellulari. Così il bilancio fra l’acqua assunta, trasportata e persa rappresenta una vera e propria sfida per le piante terrestri.

La principale differenza fra le cellule vegetali e animali che influisce su tutti gli aspetti delle loro relazioni con l’acqua è la presenza, nei vegetali, della parete cellulare. Le pareti cellulari consentono alle cellule vegetali di generare una gran pressione intracellulare, definita pressione di turgore.

• Tale pressione è essenziale per numerosi processi fisiologici quali l’espansione cellulare, lo scambio gassoso nelle foglie, il trasporto floematico e numerosi processi di trasporto attraverso le membrane.
• La pressione di turgore contribuisce anche alla rigidità e alla stabilità meccanica dei tessuti non lignificati. In questo capitolo considereremo il movimento dell’acqua fuori e dentro le cellule, con particolare riferimento alle forze fisiche che influiscono sul movimento dell’acqua a livello cellulare.

Le pareti cellulari consentono alle cellule vegetali di formare grandi pressioni interne idrostatiche (pressione di turgore). La pressione di turgore è essenziale per molti processi vegetali. L’acqua limita sia la produttività degli ecosistemi agricoli che naturali.

Circa il 97% dell’acqua assorbita dalle radici è trasportato attraverso la pianta e si perde per traspirazione dalle superfici fogliari. L’assorbimento di CO2 è accoppiato alla perdita di acqua attraverso un percorso comune di diffusione.

L’acqua possiede particolari proprietà che le permettono di agire come un solvente ad alto spettro e di essere facilmente trasportata attraverso tutta la pianta. Tali proprietà derivano principalmente dall’abilità di legame idrogeno e dalla struttura polare della molecola d’acqua.

Struttura della molecola d’acqua

(A) La forte elettronegatività dell’atomo di ossigeno significa che i due elettroni che formano il legame covalente con l’idrogeno sono ripartiti inegualmente, in modo tale che ogni atomo di idrogeno ha una parziale carica positiva. Le due coppie di elettroni dell’atomo di ossigeno producono un polo con una parziale carica negativa.

(B) Le cariche parzialmente opposte della molecola d’acqua (b- e b+) portano alla formazione di legami idrogeno intermolecolari con altre molecole d’acqua. L’ossigeno ha sei elettroni negli orbitali esterni, mentre ogni idrogeno ne ha uno.

La struttura e le proprietà dell’acqua: la polarità e la forma tetraedrica delle molecole d’acqua permettono loro di formare legami idrogeno che conferiscono all’acqua le sue insolite proprietà fisiche: è un ottimo solvente e ha 5 un elevato calore specifico, un calore latente di vaporizzazione insolitamente alto e una elevata resistenza alla trazione.

La coesione, l’adesione e la tensione di superficie danno luogo alla capillarità.[2]

Diffusione, osmosi e potenziale idrico

I processi cellulari dipendono dal trasporto di molecole sia verso la cellula che lontano da essa. Il moto casuale termico delle molecole o ioni porta alla diffusione. La diffusione è il movimento spontaneo di sostanze provenienti da regioni a maggiore concentrazione verso quelle a minore concentrazione.

Su scala cellulare, la diffusione è il modo di trasporto dominante. La diffusione è importante a piccole scale di lunghezza. Il tempo medio perché una sostanza diffonda ad una data distanza aumenta con il quadrato della distanza.

L’osmosi è il movimento netto di acqua attraverso una barriera selettivamente permeabile ed è guidata dalla somma del gradiente di concentrazione dell’acqua e il gradiente di pressione.

Tutti gli organismi viventi, comprese le piante, richiedono un input continuo di energia libera per mantenere e ricostruire le loro strutture altamente organizzate, come anche per crescere e riprodursi. Processi come le reazioni biochimiche, l’accumulo di soluti e il trasporto a lunga distanza sono tutti garantiti da un input di energia libera nella pianta.

Il potenziale chimico è un’espressione quantitativa dell’energia libera associata a una sostanza. Il potenziale chimico dell’acqua misura l’energia libera dell’acqua in un determinato stato. La concentrazione, la pressione e la gravità contribuiscono nelle piante a formare il potenziale idrico (Ψw).

• Ψs il potenziale di soluto (potenziale osmotico), rappresenta la diluizione dei soluti in acqua e la riduzione dell’energia libera dell’acqua.
• Ψp è la pressione idrostatica della soluzione. La pressione positiva (pressione di turgore) aumenta il potenziale idrico; la pressione negativa lo riduce.
• Il potenziale gravitazionale (Ψg) è generalmente omesso nel calcolo del potenziale idrico delle cellule. Quindi, Ψw = Ψs + Ψp.

Le cellule vegetali hanno tipicamente un potenziale idrico negativo. L’acqua entra o esce da una cellula in base al gradiente di potenziale idrico. Quando una cellula flaccida è posta in una soluzione che ha un potenziale idrico maggiore (meno negativo) del potenziale idrico della cellula, l’acqua si sposta dalla soluzione alla cellula (dal potenziale idrico più alto a quello più basso).

Come l’acqua entra, la parete cellulare resiste alla forza che tende ad allungarla, aumentando la pressione di turgore (Ψp) cellulare. All’equilibrio (Ψw(cellula) = Ψw(soluzione).); ΔΨw = 0), lo Ψp cellulare è aumentato in misura sufficiente a innalzare lo Ψw della cellula allo stesso valore dello Ψw della soluzione, e il movimento netto dell’acqua cessa.

L’acqua può anche lasciare la cellula per osmosi. Quando una cellula vegetale turgida è posta in una soluzione di saccarosio che ha un potenziale idrico più negativo rispetto al potenziale idrico della cellula, l’acqua si sposta dalla cellula turgida verso la soluzione.

Se una cellula viene schiacciata, il suo Ψp aumenta come anche lo Ψw con conseguente ΔΨw che causa l’uscita dell’acqua dalla cellula. 6[3]

Proprietà della parete cellulare e della membrana

L’elasticità della parete delle cellule implica la pressione di turgore e il volume delle cellule, mentre la permeabilità delle membrane plasmatiche e del tonoplasto determina la velocità di scambio dell’acqua cellulare con l’ambiente circostante.

Poiché le cellule vegetali hanno pareti piuttosto rigide, anche piccoli cambiamenti di volume delle cellule vegetali provocano grandi cambiamenti nella pressione di turgore.

Per il ΔΨw, il movimento dell&