Riassunto Fisiologia vegetale

Scienze biologiche, Unibo

Fisiologia vegetale: bilancio idrico

Le cellule vegetali all’esterno della membrana plasmatica presentano una parete cellulare, dalla forma più o meno regolare e rigida. La membrana le sta internamente adesa, la lamella mediana è il punto da cui parte l’accrescimento della parete. Su queste strutture, prevalentemente sulla membrana, che separa un apoplasto meno concentrato, 0,1 M e un simplasto più concentrato, 0,3 M, per determinare flussi idrici dall’esterno all’interno, sono presenti dei canali che permettono il trasporto delle sostanze.

Il simplasto, appunto, è più concentrato e questo genera un gradiente che fa sì che l’acqua dall’esterno si sposti spontaneamente verso l’interno della cellula, per pressione osmotica → le cellule vivono in ambiente iperosmotico, generando una pressione idrostatica o di turgore all’interno. Il protoplasto aumenta di volume fino a quando non si schiaccia contro la parete: in quel momento la pressione idrostatica, acqua che preme contro le pareti, è uguale alla pressione che spinge l’acqua ad entrare. In questa condizione di equilibrio dinamico non abbiamo un flusso netto d’acqua, la cellula è turgida.

Pompe protoniche e trasporto attivo

Tra i canali che troviamo sulla membrana vi sono le pompe protoniche: queste sono simili alle pompe NaK degli animali ma invece pompano protoni nell’apoplasto per generare un gradiente protonico che verrà sfruttato da altri trasportatori per cotrasportare altre sostanze. Si parla di trasporto attivo primario, pompe H, quando idrolizzando ATP si spinge una molecola contro gradiente ad attraversare la membrana; si parla di trasporto secondario quando vengono cotrasportate due specie e quella che si muove a favore di gradiente è sfruttata per trasportare l’altra, che va contro gradiente, saccarosio-H.

Di pompe protoniche ne esistono diversi tipi: ATPasi di tipo P, sulla membrana, e V, sul vacuolo, entrambe idrolizzano ATP per ottenere l’energia necessaria affinché avvenga il trasporto contro gradiente → concentrano gli H 100 volte di più all’esterno, il pH che si ha è 7 all’interno e 5 all’esterno e nel vacuolo, e PPasi, idrolizza PPi per ricavare l’energia per il trasporto, sempre di protoni; ci troviamo sempre sul tonoplasto vacuolare.

Queste pompe ATPasi di tipo V hanno un’organizzazione che ricorda l’ATP sintasi, con un anello che ruota attraverso cui passano gli H. È proprio il loro passaggio che fa avanzare l’anello di una subunità alla volta; la rotazione è trasmessa all’anello catalitico, con 3 A e 3 B, a livello del quale viene idrolizzato ATP ed esce ADP + Pi.

Conformazione delle proteine e regolazione

Sono regolate da ATPasi di tipo P, PM: è formata da una sola subunità. Quando l’ATP lega la proteina, la fosforila al livello di una Asp e la proteina permane in questo stato fosforilato intermedio per poi cambiare conformazione. In generale, la proteina può trovarsi in due conformazioni e il passaggio dall’una all’altra è innescato dalla fosforilazione e dall’idrolisi dell’ATP: in una la proteina è aperta verso il citosol e prende gli H e rilascia i protoni; nell’altra è aperta verso l’apoplasto.

È regolata sia attraverso fosforilazione/defosforilazione, operata da specifiche chinasi e fosfatasi, che attraverso l’intervento della proteina 14-3-3. La proteina può essere fosforilata a livello di alcuni amminoacidi, come la treonina, ma ciò non è sufficiente all’attivazione. I peptidi fosforilati sono il bersaglio della proteina 14-3-3: questa proteina è un dimero e ha due siti di legame, legherà quindi 2 subunità adiacenti. In questo modo si viene a formare una conformazione ad esamero in cui tutti i monomeri sono attivi.

Normalmente, in assenza di fosforilazione operata da chinasi, la proteina si autoregola: al C-t abbiamo un dm di autoregolazione di 70 aa che lega e nasconde il sito attivo, quello in cui si lega ATP, della subunità adiacente. La subunità adiacente col suo C-t fa lo stesso: è una specie di inibizione incrociata.

Potenziale di membrana e flussi ionici

Nei due compartimenti, apo e sim, le cariche non sono distribuite uniformemente: nel simplasto avremo una prevalenza di cariche negative mentre nell’apo una prevalenza di cariche positive, per l’estrusione di protoni, pH = 5. Si può quindi parlare di potenziale di membrana, negativo all’interno, che è generato, e mantenuto, dalle pompe protoniche e che misura E = -120 mV, è un potenziale generato sia da un potenziale osmotico che elettrico.

A livello del plasmalemma il potenziale è -150mV, a livello del tonoplasto è -30mV: è più facile estrudere un H nel tonoplasto piuttosto che nell’apo perché, anche se il gradiente osmotico è lo stesso, pH=5 sia apo che vacuolo, il gradiente elettrochimico è più favorevole a livello del tono. Considerando il gradiente elettrochimico di un determinato soluto, possiamo andare a misurare l’energia liberata – l’energia è liberata, se + è richiesta perché il processo avvenga.

Per quanto riguarda le specie chimiche cariche, come H⁺, dovremo considerare sia la componente osmotica che elettrica del gradiente mentre per le specie non cariche, saccarosio, non considereremo la componente elettrica del gradiente. Questo è dovuto al fatto che essendo una molecola neutra, non risentirà del campo elettrico a cui è sottoposta quando sta attraversando la membrana. Ogni 60mV, variazione + o del potenziale, la concentrazione di uno ione monovalente, che, variando il potenziale, varierà di conseguenza nella sua concentrazione in modo da riequilibrarsi, cambierà di un fattore 10 mentre quella di uno ione bivalente di 100.

Movimento dell’acqua e potenziale idrico

In tutto questo, l’acqua, per via della presenza di questo gradiente osmotico che va verso il simplasto, tenderà ad entrare e lo farà finché la pressione in ingresso non sarà uguale a quella idrostatica esercitata dalle pareti sull’acqua, si oppone all’aumento di volume e questo è dovuto al fatto che vi è una parete cellulare rigida. L’acqua diffonde spontaneamente attraverso la parete ma può essere facilitata nell’attraversamento da dei canali particolari: le AQP.

La conduttività della membrana dipende dalla quantità di AQP che vengono trascritte, a livello genico, ed inserite a livello della membrana. Sono formate da 6 eliche TM che vanno a delimitare un filtro polare che permette il passaggio quasi esclusivamente all’acqua, proprio grazie alla sua forma molecolare e dipolo.

In generale, per spiegarci i movimenti dell’acqua, che avvengono secondo gradiente idrico, dobbiamo definire una nuova grandezza: il potenziale idrico, gradiente elettrochimico dell’acqua rapportato al suo volume → l’energia associata al movimento d’acqua da un punto ad un altro secondo gradiente. Questo è determinato da diversi fattori: abbiamo una componente idrostatica, l’acqua che preme contro le pareti, una componente osmotica, sempre negativa perché il gradiente osmotico è sempre positivo, non possiamo ovviamente avere delle concentrazioni negative, e il suo potenziale sarà sempre negativo per una questione del sistema di riferimento, una componente di gravità e una componente matriciale, questo è dovuto al fatto che l’acqua che scorre all’interno delle piante non attraversa condotti vuoti ma colmi di polimeri che aumentano l’adesione e la tensione.

A livello microscopico, delle cellule, ovviamente terremo conto solo di S, pressione osmotica, e P, pressione idrostatica o di turgore.

Gli stomi e il loro ruolo

Gli stomi sono delle particolari strutture presenti a livello dell’epidermide superiore delle foglie. Sono formati da due cellule particolari, cellule di guardia, che delimitano, al centro, un’apertura, rima stomatica, che affaccia sulla camera sottostomatica, in cui è presente una specie di atmosfera interna. Attraverso queste aperture la pianta traspira: esce vapore acqueo, processo responsabile della risalita del succo xilematico fino alle foglie perché si genera una buca di potenziale che provoca una tensione superficiale che fa risalire la colonna d’acqua, ed entra la CO₂ che ci serve per creare nuova sostanza organica, attraverso la fotosintesi.

Le cellule di guardia presentano alcune particolarità: la lamella mediana che era presente tra le due cellule che delimitano la rima è stata digerita in modo da permettere l’apertura e inoltre internamente le microfibrille di cellulosa di queste due cellule hanno un andamento radiale tale da consentire l’allungamento, quando aumentano di volume per via dell’ingresso dell’acqua, ma non ne permettono l’allargamento.

L’apertura della rima stomatica è determinata da diversi fattori: fotoni blu, percepiti dalle fototropine, fotorecettori che innescano l’uscita di protoni nell’apoplasto, degradazione dell’amido, si producono anioni nelle cellule di guardia, come l’acido malico, che determina il mantenimento dell’apertura, calo della concentrazione interna di CO₂, viene consumata da fotosintesi alla luce, il ribasso della Ci viene percepito e ciò determina l’inibizione della fuoriuscita di anioni, e la luce rossa, intesa come stimolatore della fotosintesi e quindi attivatore della produzione di energia e potere riducente necessari alle attività cellulari.

Come prima cosa, l’arrivo di un fotone blu, percepito da fototropine, innesca l’estrusione di H⁺ da parte delle pompe ATPasi di tipo P. La membrana si iperpolarizza, -180mV, e ciò determina l’apertura dei canali Kin: il potassio, che era all’equilibrio a -120mV e si trovava 100 volte più concentrato all’interno, ora deve riequilibrarsi in questa condizione di iperpolarizzazione ed entrare, arrivando ad essere 1000 volte più concentrato all’interno. Ciò determinerebbe un annullamento del potenziale, perché entrano solo cariche (+) → in costrasporto con l’ingresso di protoni, che hanno un gradiente favorevole, verranno fatti entrare degli anioni per impedire che il potenziale si annulli.

All’interno arriviamo ad avere una concentrazione di soluti molto elevata, è una proprietà colligativa, quindi non dipende dalla natura delle specie chimiche che vi troviamo ma solo dalle loro quantità → il potenziale osmotico è molto negativo, perché la pressione osmotica è molto elevata, così come sarà molto negativo il potenziale idrico → l’acqua entra.

Chiusura degli stomi e il ruolo del calcio

Per far chiudere gli stomi, interviene il calcio, è un secondo messaggero molto importante e per questo non lo troviamo mai ad elevate concentrazioni all’interno della cellula, in iperpolarizzazione essendo uno ione bivalente aumenterà la sua concentrazione interna di un fattore 100: la sua concentrazione interna aumenta e andrà ad attivare le CDPK, proteine chinasi calcio dipendenti, che andranno a fosforilare i canali Kin, che si chiudono, e ad attivare i canali che fanno uscire gli anioni.

In questo modo, il potassio smette di entrare e gli anioni vengono fatti uscire: si ha una depolarizzazione della membrana, che arriva a dei valori di potenziale pari a -60mV. Il potassio, in questa nuova condizione di potenziale, deve riequilibrarsi per arrivare ad essere concentrato dentro 1:10 → si aprono i canali Kout che fanno uscire il K. Escono gli anioni, esce il potassio, il potenziale osmotico aumenta → anche il potenziale idrico aumenta e l’acqua smette di fluire verso gli stomi e inverte il suo flusso.

Flusso d’acqua nelle piante

Le piante si trovano a livello dell’interfaccia tra atmosfera, potenziale idrico minore, e suolo, potenziale idrico maggiore, e velocizzano il normale flusso d’acqua che dal suolo torna all’atmosfera. Per far sì che l’acqua risalga lungo la pianta, il flusso avviene secondo gradiente di potenziale, quindi la pianta deve organizzarsi in maniera tale da avere un potenziale a livello radicale che sia minore di quello del suolo, nelle foglie minore di quello del fusto e delle radici ma che sia maggiore di quello atmosferico.

Il suolo ha un suo potenziale idrico, determinato dalla pressione idrostatica, l’acqua che viene trattenuta per capillarità tra le particelle del terreno e che va a formare un menisco di raggio minore quanto maggiore sarà la tensione superficiale che trattiene l’acqua e quindi il potenziale idrico, e dalla pressione matriciale, vi è uno strato d’acqua che circonda le particelle del suolo che prende il nome di acqua igroscopica. La capacità dei suoli di trattenere acqua prende il nome di capacità di campo ed è maggiore nei suoli in cui le particelle sono piccole e molto vicine tra loro.

Assorbimento dell’acqua e ruolo dei peli radicali

Per assorbire l’acqua dal terreno, i peli radicali vanno ad esplorare l’acqua presente tra le particelle, si inseriscono nei capillari. L’acqua, una volta entrata nel tessuto vegetale attraverso i peli, può seguire due vie: quella apoplastica, passando tra le membrane delle cellule, l’acqua fila liscia come l’olio fino a raggiungere la banda del Caspary che si trova a livello delle cellule endodermiche, suberificata e impermeabile, che la blocca, e simplastica, entra nelle cellule, attraversa i plasmodesmi fino a raggiungere l’endoderma e verrà nuovamente rilasciato a livello dello xilema.

Il potenziale idrico dello xilema deve essere minore di quello del suolo perché l’acqua segue il gradiente del potenziale. Nello xilema vengono rilasciati molti soluti in modo da aumentare il potenziale osmotico, per rendere il potenziale idrico dello xilema più negativo: l’elevata concentrazione che c’è nelle trachee richiama acqua. Questa spinge contro le pareti dello xilema, generando una pressione idrostatica maggiore rispetto a quella atmosferica che spingerà l’acqua in su: stiamo parlando della pressione radicale.

Questa è sufficiente a tirar su l’acqua nelle piante piccole mentre in quelle più grandi l’acqua viene tirata su dalla traspirazione. Alcune piante fanno guttazioni, invece che traspirare, rilasciando acqua per via gassosa dagli stomi, rilasciano acqua in forma liquida attraverso idatomi, aperture alle estremità della foglia. Ciò viene fatto per annullare la pressione radicale.

Struttura e funzione degli stomi e delle camere sottostomatiche

A livello delle foglie vi sono gli stomi e le camere sottostomatiche: all’interno di quest’ultime vi è una specie di atmosfera interna caratterizzata da un suo valore di umidità relativa, prossima al 100%, condizione in cui le particelle d’acqua passano spontaneamente da gas a liquido e viceversa perché sono in equilibrio, che è diverso da quello esterno.

Il processo di traspirazione avviene secondo potenziale idrico, che non dipende da potenziale osmotico o di gravità o matriciale, ma dipende in modo esponenziale dall’umidità relativa: maggiore è la differenza di UR dall’interno all’esterno, il potenziale idrico varia inoltre in funzione della temperatura: maggiori sono le temperature e maggiore sarà la ripidità del gradiente della concentrazione, e più acqua verrà traspirata.

Quando l’acqua esce dagli stomi, essendo tutte le molecole d’acqua legate come a formare una catenella da legami H lungo i capillari della pianta, si viene a generare una buca che mette in tensione l’intera catena. Questa, per togliere la tensione superficiale, fa sì che l’acqua risalga lungo lo xilema, perché tutte le molecole d’acqua sono legate da forze di capillarità.

Il flusso dello xilema avviene grazie ad una differenza di pressione: è direttamente proporzionale al gradiente pressorio e alla quarta potenza del raggio. Maggiore è il raggio e maggiore sarà il flusso. Nella pianta però le trachee xilematiche sono al massimo di mezzo millimetro di diametro e questo è dovuto al fatto che si sono evolute in modo da ridurre al minimo il rischio di cavitazione.

Quando l’acqua è tirata su da una pressione dovuta alla traspirazione, c’è il rischio che questa sia così elevata che qualche molecola d’acqua della colonna passi da liquido a gas → si viene così a formare una bolla d’acqua che blocca l’intera colonna che non è più tirata dalla tensione presente tra le molecole d’acqua. Per permettere ugualmente il funzionamento xilematico esistono delle punteggiature tra le trachee che permettono all’acqua di un vaso cavitato di spostarsi verso uno funzionante. Inoltre, i vasi cavitati possono essere recuperati: nelle cellule VAC, vive, si occupano del caricamento xilematico, viene degradato l’amido in zuccheri solubili e quest’acqua richiama acqua del floema. L’acqua, quindi, giunge nel vaso cavitato e la bolla d’aria viene “aggiustata”. In alternativa è richiamata acqua dai vasi adiacenti.

Nutrizione minerale

Gli elementi essenziali per le piante sono 17, di cui 3 organici, C 40 mln, H 60 mln per ogni Mo, O 30 mln, e tutti gli altri inorganici, di cui l’N è il più abbondante, 1 mln per ogni Mo. Il molibdeno, si trova tipo nella NR, al C-t dove si lega il nitrato, è lo ione essenziale meno abbondante nella pianta.

L’assorbimento degli ioni dal terreno dipende dalla solubilità della molecola, varia col variare del pH, e dalle interazioni elettrostatiche che vi sono tra le particelle del suolo e lo ione.