Lezione 3 - Fisiologia vegetale

P-

=

Più la parete preme e più si oppone all’entrata di acqua dentro la cellula e quindi riporterà il valore

di più prossimo allo zero.

In una soluzione più un soluto è concentrato, più

aumenta, più diminuisce la concentrazione di acqua e

quindi il potenziale idrico stesso. Il potenziale idrico non è

altro che la risultante della pressione idrostatica, meno la

pressione osmotica e si misura in MPa. Il potenziale idrico

è un modo per misurare l’energia libera dell’acqua e il suo

movimento. L’acqua di muoverà spontaneamente da

potenziali più alti, prossimi allo zero, a potenziali più bassi,

più negativi. Il grafico riporta l’analogia di un movimento di

una sfera su un piano inclinato, spontaneamente la sfera

si muoverà verso dx.

I movimenti dell’acqua all’interno e all’esterno della cellula sono

però molto veloci, non compatibili con la velocità con cui

solitamente l’acqua permea la membrana. Dobbiamo dunque

fare una precisazione sulla via di passaggio dell’acqua. Se

guardiamo il movimento delle cellule stomatiche, che dipende

dall’entrata e dall’uscita d’acqua, questo si realizza in

pochissimi secondi, così anche la chiusura e apertura delle

foglie di alcune piante dopo essere toccate, chiusura che

dipende dal fatto che l’acqua entra dentro siti delle cellule

velocemente facendole variare di dimensione e causando la

chiusura delle foglie, anche questa avviene molto rapidamente.

L’acqua in questi due casi deve prendere una via preferenziale

che le permetta di essere così veloce.

È vero che l’acqua può permeare liberamente le

membrane, ma sulle membrane biologiche delle cellule

vegetali, esistono specifiche proteine

che fanno passare liberamente un

grande flusso di acqua: esse sono le

acquaporine che permettono il

passaggio dell’acqua grazie alla loro

particolare struttura.

L’acquaporina lascia fluire l’acqua

all’interno della membrana biologica

perché al suo interno ci sono degli aa

carichi positivamente che riescono ad

attrarre l’acqua, molecola polare con

parziale carica positiva e negativa.

Ci sono 6 domini transmembrana (6 alfa eliche idrofobiche che attraversano la

membrana) e due loop transmembrana che presentano una ripetizione di una

sequenza aminoacidica: Asparagina, Prolina, Alanina.

Di questi 3 aa, Asn è quello idrofilo che interagirà con le molecole d’acqua e ne permetterà il

passaggio in quanto questi due loop si riuniscono insieme nella struttura terziaria a formare una

settima struttura transmembrana che permette il passaggio dell’acqua. Inoltre qui troviamo dei

residui di serina che possono essere fosforilati per regolare apertura e chiusura della proteina e

residui di istidina che possono essere o meno protonati a seconda del PH e favorire anche loro

apertura e chiusura dell’acquaporina.

Le acquaporine oltre all’acqua fanno passare anche piccoli

soluti privi di carica come il glicerolo o gas azotati e CO2, la

loro funzione dunque è molteplice come canali di

membrana. Le due asparagine, come dicevamo, hanno

natura fortemente idrofila e dunque grazie a loro l’acqua

passa all’interno di queste proteine, vediamo come.

I due loop si riuniscono in questa settima struttura

tridimensionale transmembrana a costituire il poro da cui

passerà l’acqua, poro che contiene le asparagine.

Tutte le molecole di acqua sono coordinate fra loro tramite

legami a ponte ad idrogeno, legami di coordinazione tra il

parziale dell’ossigeno e il parziale dell’idrogeno.

- +

All’interno di queste proteine la Asn riesce ad attrarre

l’acqua per la sua natura idrofila, per il suo parziale +

sull’azoto e un parziale dell’ossigeno sul suo terminale.

-

Quindi due Asn vengono a legare una singola molecola di

acqua isolandola dalle altre e rompendo il legame a ponte

ad idrogeno tra questa molecola e le altre ed è questo il

passaggio che facilita la permeazione dell’acqua molto

velocemente attraverso questi canali.

All’arrivo di una seconda molecola di acqua, la prima rimane

legata ad una sola Asn, perché l’altra Asn sta svolgendo un

legame con la molecola d’acqua in arrivo, dunque la prima

molecola di acqua si trova legata ad una sola Asn e viene

rilasciata nella parte citosolica della membrana. La molecola

ultima arrivata viene ora legata da due Asn e poi rilasciata

nel citosol e via di seguito con le altre molecole.

Video ruolo dele asparagine nel favorire la permeazione

dell’acqua attraverso le acqua porine:

www.ks.uiuc.edu/Research/aquaporins/

Il gating delle acquaporine, ovvero apertura e chiusura, avviene attraverso forsforilazione (aperta)

o defosforilazione (chiusa) della proteina sulla serina. In condizioni di stress ci sono dei

meccanismi che ne provocano la chiusura per non far perdere troppa acqua alle cellule: in

condizioni di siccità, viene rimosso il fosfato e la proteina si chiude. In condizione di allagamento, il

citosol si acidifica e porta il protone sull’istidina, determinando nuovamente chiusura

dell’acquaporina e risparmio di acqua.

Possiamo tornare a capire la direzione dei movimenti dell’acqua nelle cellule considerando il

potenziale idrico dell’acqua nel simplasto rispetto al potenziale idrico dell’acqua nell’apoplasto.

Nel simplasto il potenziale idrico delle cellule sarà negativo, dato che la concentrazione dell’acqua

sarà poca visto l’elevato accumulo di soluti dentro la cellula. L’acqua può passare attraverso

plasmalemma e tonoplasto che sono permeabili all’acqua ma che contengono anche acquaporine

che possono essere regolate, da aperte a chiuse. Anche i soluti possono passare le membrane

biologiche e il loro passaggio è regolato da trasportatori.

Nel vacuolo il potenziale idrico è negativo ed è in equilibro osmotico con il citosol, perché hanno

entrambi un sacco di soluti, quindi possiamo parlare genericamente di citosol senza distinguere tra

citoplasma e vacuolo, o meglio di simplasto.

Il potenziale idrico del simplasto è dunque negativo perché all’interno delle cellule vi sono molti

soluti necessari a mantenere un potenziale osmotico.

Ricapitolando, una cellula concentra i soluti attivamente all’interno contro il loro gradiente

elettrochimico, attraverso il lavoro de l’H+ ATPasi, con risultante iperpolarizzazione della

membrana sfruttata da canali e carriers. L’accumulo dei soluti all’interno della cellula ha come

risultato una concentrazione d’acqua maggiore nell’apoplasto e genererà potenziale più alto di

quello del vacuolo e della cellula. Dunque la differenza di potenziale idrico tra apoplasto e

simplasto determina la direzione del flusso tra questi due scompartimenti.

Se vogliamo essere precisi e capire come funziona l’accumulo dei soluti all’interno della cellula,

dobbiamo considerare che il potassio è il soluto maggiormente responsabile del potenziale

negativo della cellula vegetale. Il potassio è un catione che entra nella cellula per

iperpolarizzazione di membrana, in quanto i canali del potassio possono permettere il flusso di

questo ione all’interno dato che il citosol è negativo e l’esterno è positivo. Ovviamente ci sono

anche altri soluti come ad esempio il Cloro che entra come

controione del potassio per controbilanciare la carica ma non il PH

della cellula che è mantenuto tale dalla pompa protonica.

Come è chiaro dall’immagine, l’accumulo del potassio all’interno della

cellula, genera la differenza di potenziale tra apoplasto e simplasto,

fra parete cellulare e cellula, che permette gradiente potenziale idrico

e entrata dell’acqua all’interno della cellula via acquaporine.

Quando per gradiente di potenziale idrico vi è un flusso di acqua nella

cellula, la cellula aumenta di dimensioni, fino a raggiungere una

condizione di equilibrio chiamato turgore cellulare che dipende dal

fatto che la cellula vegetale ha una parete che può opporsi ad

un’ulteriore entrata di acqua. L’acqua entra fino a che la parete è

estensibile, via via che entra la parete inizia a esercitare una pressione ad un’ulteriore entrata di

acqua nella cellula. Quando la parete raggiunge il suo massimo di estensibilità, abbiamo una

condizione di turgore cellulare, un equilibrio tra acqua in entrata e acqua in uscita.

Detto questo vediamo cosa succede comparativamente quando una

cellula animale e una cellula vegetale sono poste in condizione

ipotoniche e ipertoniche. Quando le cellule sono poste in una

soluzione ipotonica, queste avranno un potenziale idrico minore

della soluzione stessa e l’acqua comincerà ad entrare. Nel caso

delle cellule animali l’acqua entrerà fino a lisi della cellula stessa,

scoppio per la troppa acqua entrata. Nel caso dell cellule vegetali,

dove la parete cellulare si oppone alla troppa entrata dell’acqua e

riporta il potenziale idrico verso valori meno negativi, verso lo zero,

l’acqua entra fino alle condizione di turgore cellulare, senza lisi della cellula.

Nel caso della soluzione iperosmotica, ci sarà in questo caso l’uscita di acqua, in quanto è la

soluzione ad avere un potenziale idrico più basso, quindi la cellula animale implode su se’ stessa,

la cellula vegetale invece va nella così detta condizione di plasmolisi, in cui in seguito all’uscita

dell’acqua, la membrana si stacca dalla parete ma non si ha implosione della cellula perché ci

sono plasmodesmi, ponti citoplasmatici che mettono in comunicazione tutto il simplasto e che

quindi permettono la plasmolisi e non l’implosione della cellula su se’ stessa. Se le variazioni di

potenziale idrico non sono troppo grandi, il processo di plasmolisi è

reversibile e dunque anche in tali condizioni la cellula vegetale

riesce a sopravvivere maggiormente agli stress osmotici rispetto

alla cellula animale stessa.

Qui vedete un altro schema sui movimenti dell’acqua fuori e dentro

la cellula a seconda che questa si trovi in soluzioni iso, iper o

ipotoniche.

I movimenti dell’acqua fuori e dentro la cellula a seconda della

soluzione in cui è posta, nel caso delle cellule vegetali, si possono

anche osservare in un preparato a fresco per microscopia ottica

perché in parte le cellule vegetali sono colorate naturalmente,

posseggono i plastidi di colore verde per la presenza della clorofilla.

Così se noi mettiamo il nostro tessuto in una soluzione ipotonica,

l’acqua