Riassunto esame Fisiologia generale, Prof. De Marchis Francesca, libro consigliato Elementi di Fisiologia Vegetale, N. Rascio

Fisiologia vegetale – programma pt. 11

Bilancio idrico

L’acqua è il costituente principale degli organismi viventi. Nel caso delle cellule vegetali, per esempio di una foglia, essa può rappresentare più del 90% del peso fresco cellulare (indice di metabolismo attivo). Non tutti gli organi della pianta hanno un contenuto così elevato di H₂O. Nei semi, allo stato quiescente, l’acqua si trova intorno al 12% del peso: il lento metabolismo si riattiva nelle prime fasi di germinazione. La presenza di acqua è una condizione indispensabile per la vita e la sua disponibilità è un fattore limitante.

• Coinvolgimento indiretto: è il mezzo disperdente in cui si muovono le molecole.
• Coinvolgimento diretto: partecipa alla reazione chimica.

L'acqua che entra dentro la cellula determina una pressione endocellulare detta pressione di turgore, essenziale per molti processi cellulari, tra cui l'espansione cellulare. La pressione di turgore inoltre contribuisce alla rigidità e alla stabilità meccanica dei tessuti non lignificati.

A livello della pianta, l'acqua è indispensabile in quanto, insieme ad essa, attraverso l'apparato radicale, la pianta assorbe anche i sali minerali. L'acqua assorbita attraverso l'apparato radicale viene poi traspirata a livello fogliare, dove avverrà il processo di traspirazione, che rappresenta la forza motrice che permette la salita della linfa grezza e garantisce l'ulteriore assorbimento di H₂O e sali minerali dal terreno.

Molecola d’acqua

Il ruolo dell’acqua è strettamente legato alle sue proprietà chimico-fisiche. L'atomo di ossigeno ha 6 elettroni negli orbitali esterni (è più elettronegativo dell'atomo di idrogeno che ne ha solo 1) e quindi attrae gli elettroni dell'idrogeno. Questo porta a una parziale carica negativa sull'ossigeno e una parziale carica positiva su ogni atomo di idrogeno.

• Acqua → molecola polare, assume il carattere di un dipolo.
• Non possiede carica netta → neutra, dovuta all'asimmetrica distribuzione di cariche.

L'esteso numero di legami idrogeno dell'acqua (fino a 4 per molecola) determina le proprietà di:

• Coesione → attrazione reciproca fra le molecole.
• Adesione → attrazione delle molecole d’acqua nei confronti di una fase solida come la parete cellulare o una superficie vetrosa.

Le molecole di acqua, in un’interfaccia aria/acqua, sono attratte dalle vicine molecole d’acqua dai legami idrogeno (legami intermolecolari dovuti alla polarità della molecola) e questa interazione è molto più forte di qualsiasi interazione con la fase gassosa adiacente. Una bolla di gas sospesa in un liquido assume una forma sferica per minimizzare l’interfaccia gas/liquido. Per aumentare l’interfaccia aria/acqua, i legami idrogeno devono essere spezzati attraverso l’immissione di energia. L’energia necessaria per aumentare l’interfaccia gas-liquido è detta tensione superficiale.

Le forze di coesione, adesione e tensione superficiale generano il movimento dell’acqua per un fenomeno conosciuto come capillarità. I legami idrogeno conferiscono all’acqua una elevata forza di tensione, ovvero la forza massima per unità di superficie che una colonna continua d’acqua può sopportare prima di rompersi (risalita di una colonna d’acqua nel tubo capillare).

Movimento dell’acqua

Il movimento dell’acqua viene considerato a livello cellulare, con particolare attenzione alle forze fisiche che ne determinano il movimento e a livello dell’intera pianta. Secondo le leggi della termodinamica, l’acqua si sposta seguendo un gradiente di potenziale chimico (µ), ovvero l’energia libera per mole di una determinata specie chimica. Essendo però un parametro difficile da misurare per stimare il movimento, si è formulato il concetto di potenziale idrico, ovvero il potenziale chimico dell’acqua rapportato al suo volume molare e indicato con Ψ.

Quando l'acqua si sposta dal terreno all'atmosfera all’interno della pianta, viaggia attraverso strutture molto diverse e anche il meccanismo di trasporto varia a seconda del tipo di struttura (parete cellulare, citoplasma, doppio strato lipidico, spazi aeriferi). I processi fondamentali (forze motrici) che regolano il movimento dell’acqua sono:

• Diffusione
• Flusso di massa
• Osmosi

Diffusione

L’acqua e le sostanze in essa disciolte si muovono per diffusione, cioè per effetto delle attività cinetiche o moti termici casuali delle molecole e degli ioni. Le molecole di H₂O e i soluti tendono a muoversi dalla zona a maggior concentrazione a quella a minor concentrazione fino al raggiungimento di un equilibrio. La diffusione rappresenta la naturale tendenza dei sistemi a spostarsi verso lo stato di energia più basso possibile (aumento di entropia = diminuzione di energia libera). Per tutti i processi spontanei la variazione di energia libera ΔG è negativa.

La velocità di diffusione (V) varia in funzione dell’area attraverso la quale si muovono le molecole (A) e della differenza di concentrazione (Δc) ed è definita dalla Legge di Fick:

V: velocità di diffusione (mole s^-1): numero di molecole di soluto o di acqua che si muovono nell’unità di tempo;

Il segno negativo è dovuto al fatto che il flusso si realizza da zone a maggior concentrazione verso zone a minor concentrazione.

Conseguenze:

• Concentrazione: la velocità di diffusione dipende dal fattore Δc, ovvero che tanto più esso è elevato, tanto maggiore sarà la velocità di diffusione.
• Distanza: se il valore di Δc è uguale ma il denominatore (L) è maggiore, si avrà un rapporto Δc/L più piccolo e quindi una minore velocità di diffusione.
• Area di contatto: (a livello cellulare) la velocità di diffusione è tanto maggiore quanto più A è grande, cioè la superficie di contatto (es. amplificazione della superficie di contatto tra due cellule conseguente al ripiegamento della membrana che si ha nelle transfer cells del floema).

Tempo di diffusione: con questa formula possiamo calcolare il tempo che una sostanza impiega per dimezzare la sua concentrazione iniziale: t_1/2 = (distanza²) / (2D).

Esempio: calcolando il tempo di diffusione delle molecole di H₂O dentro la cellula (dimensione media: 50 μm), o il tempo di diffusione delle molecole di vapor acqueo dall’interno della foglia all’aria esterna (distanza: 1 mm), i risultati che si otterrebbero avrebbero un valore espresso in microsecondi. Il tempo quindi è molto breve, perciò compatibile con lo spostamento delle molecole in considerazione per diffusione. Nel caso in cui si dovesse considerare una distanza maggiore, come ad esempio 5 m (altezza fusto di una pianta, trasporto xilematico), il calcolo condurrebbe ad un risultato espresso in giorni: questo tempo non è chiaramente compatibile con i tempi in cui deve avvenire il trasporto nello xilema. Quindi, l’acqua si muove per diffusione:

• Dentro la cellula (da un punto ad un altro della cellula).
• Alcune sostanze (H₂O, CO₂, glicerolo, O₂) possono diffondere all’interno o all’esterno della cellula in funzione del gradiente di concentrazione.
• Vapor acqueo che si porta dall’interno della foglia all’atmosfera (traspirazione).

Flusso di massa

È il movimento di gruppi di molecole d’acqua in risposta ad un gradiente di pressione (acqua nelle tubature, flusso di un fiume, caduta della pioggia ecc). Nel caso delle piante corrisponde al flusso in un condotto a sezione circolare (xilema/floema) ed è regolato dalla Legge di Poiseuille:

J_W = πr⁴ΔP/8η.

Il flusso di massa dipende dal raggio e dal gradiente di pressione (non dipende invece dal gradiente di concentrazione). Il movimento di acqua nello xilema e nel floema avviene per flusso di massa.

Osmosi

È la diffusione di molecole d’acqua attraverso una membrana semipermeabile (ovvero che si lascia attraversare dal solvente ma non dal soluto). Le molecole d’acqua si spostano da dove sono meno concentrate (acqua pura o soluzione a minor concentrazione di soluto) a dove sono più concentrate (soluzione più concentrata di soluti) quindi secondo un gradiente di concentrazione.

Nella cellula il movimento di H₂O è regolato dal processo di osmosi in quanto l’ambiente esterno è separato da quello endocellulare da una membrana. Il movimento di acqua prosegue fino a che:

• Cellula animale: la cellula si espande fino alla rottura della membrana.
• Cellula vegetale: l’espansione del volume cellulare è vincolata meccanicamente dalla presenza della parete cellulare.

Nella cellula vegetale l’acqua tende ad entrare in quanto i soluti sono molto concentrati rispetto all’ambiente esterno, quindi si muove per diffusione secondo il suo gradiente di concentrazione. L’acqua entra nel vacuolo, il quale si rigonfia fino a toccare la parete cellulare esercitando così una pressione verso la parete. Per gradiente di concentrazione, le molecole di acqua sono spinte ad entrare, mentre per gradiente di pressione le molecole sono spinte ad uscire. Quindi, si crea ad un certo punto una situazione di equilibrio tale per cui tante sono le molecole che entrano e tante sono le molecole che escono: la cellula è turgida.

Processi spontanei e forze motrici

Tutti e 3 i processi avvengono spontaneamente in risposta ad un forza motrice:

La duplice componente, gradiente di concentrazione e gradiente di pressione dell’osmosi, viene espressa come gradiente di potenziale chimico dell’acqua o meglio come gradiente di potenziale idrico.

Acquaporine

Canali transmembrana che permettono il movimento dell’acqua attraverso le membrane. Sono MIP (major intrinsic protein) di MW = 25-30 kDa, costituite da 6 eliche trans-membrana e 3 residui amminoacidici molto conservati (asn-pro-ala). Essendo canali, possono trovarsi nella conformazione aperta o chiusa: quando sono aperte le acquaporine facilitano il passaggio delle molecole d’acqua (10⁹ molecole al secondo) secondo il gradiente di potenziale idrico; quando sono chiuse (es. stress idrico o allagamento) si riduce notevolmente la permeabilità all’acqua della membrana.

Potenziale idrico

Tutti gli organismi viventi necessitano di un input continuo di energia libera per mantenere e costruire le loro strutture altamente organizzate (potenziale per lo svolgimento del lavoro). Il potenziale chimico è l’espressione dell’energia libera associata ad una sostanza. Esso somma tutte le forze che possono agire su una molecola e che ne determinano il trasporto netto. Il potenziale chimico dell’acqua è l’espressione dell’energia libera associata al movimento delle molecole d’acqua. Il potenziale idrico è la misura dell’energia libera dell’acqua per unità di volume. L’acqua si sposta da un punto del sistema ad un altro seguendo un gradiente di potenziale idrico.

Def: il potenziale idrico è l’energia necessaria per unità di volume, a spostare l’acqua reversibilmente e isotermicamente nel sistema;

Potenziale chimico: poiché il potenziale chimico (elettrochimico) somma tutte le forze che agiscono su di una sostanza, si avrà che, per una sostanza J:

• R: costante universale dei gas;
• T: temperatura assoluta;
• a: attività, concentrazione attiva con la quale un soluto presente in una soluzione prende parte agli equilibri che si stabiliscono nella soluzione stessa. Per le soluzioni poco concentrate è assimilabile alla concentrazione molare;
• z: carica elettrostatica dello ione;

Nel caso del potenziale chimico dell’acqua, cioè del potenziale idrico, si trascurano le seguenti componenti:

• zFE = 0 perché le molecole d’acqua non sono cariche;
• m • g • h rappresenta la componente gravitazionale e viene trascurata nelle relazioni idriche a livello cellulare (ma non nel trasporto xilematico a lunga distanza dove cambia la forza di gravità);

I fattori principali che influenzano il potenziale idrico di una pianta sono la concentrazione, la pressione e la gravità.

Quindi, semplificando:

μ_w* = μ_w + RTln a_w + PV_w

Dove:

• µ_w*: potenziale chimico di riferimento a pressione atmosferica e ad una data temperatura. Potenziale standard acqua pura è 0;
• a_w: attività o frazione molare dell’acqua (per acqua pura convenzionalmente è 1, quindi ln1 = 0 e quindi il blocco RTlna_w = 0);
• V_w: volume molare dell’acqua (il volume occupato da una mole di acqua è 18,3 ml);
• P: differenza di pressione rispetto a quella atmosferica standard (se l’acqua si trova alla pressione atmosferica il blocco PV_w = 0);

Il potenziale idrico dell’acqua pura a 25°C e alla pressione atmosferica è = 0. In una soluzione si avrà, rispetto all’acqua pura, un minor numero di molecole d’acqua in quanto sono presenti anche molecole di soluto. Poiché il potenziale idrico è proporzionale al numero di molecole d’acqua e considerando che il potenziale idrico dell’acqua pura è 0, si avrà il potenziale idrico di una soluzione con un valore negativo (a pressione atmosferica). Questo perché:

• Per l’acqua pura → A_w (pura) = 1;
• Per le soluzioni (meno acqua perché ci sono le molecole di soluto) → A_w < 1 (lnA_w di un numero inferiore a 1 è un numero negativo);

Poiché è difficile misurare in una soluzione la [H₂O], mentre è più facile misurare la concentrazione dei soluti disciolti in soluzione, al posto di lnA si sostituisce con la sommatoria di frazioni molari dei soluti: ln a_w = - Σ[S]

Storicamente il potenziale chimico dell’acqua (Taylor e Slatyer, 1962) è stato considerato non in termini di energia (come normalmente avviene per il potenziale) ma in termini di pressione. Ciò si ottiene dividendo il potenziale chimico per il volume molare dell’H₂O (V_w = 0,018 litri o 18,3 ml):

Il potenziale idrico, se si considera l’equazione di Van’t Hoff, può essere riscritto più semplificato: l’equazione di Van’t Hoff mette in relazione la pressione osmotica (π) di una soluzione e la sua concentrazione: π = cRT → c = numero di moli → π = nRT/V. La formula del potenziale idrico può essere quindi riscritta come:

Ψ_w = - π + P oppure Ψ_w = Ψ_s + Ψ_p.

Il potenziale osmotico è il negativo della π, dato che sono forze uguali in valore assoluto ma opposte di segno (Ψ_s = - π). P viene sostituito dal potenziale di pressione Ψ_p.

L’unità di misura del Ψ è un’unità di pressione espressa in Pascal. Normalmente il potenziale viene espresso con unità di misura legate all’energia: il potenziale chimico viene espresso in Joule su mole di sostanza (J/mol), ma poiché il Joule = Newton x metri (N x m), allora il potenziale chimico può essere espresso come N x m/mole. 1 N x m = 1 Pa.

Il potenziale osmotico varia in funzione della concentrazione della soluzione e della temperatura (Ψ_s = -π). Il potenziale osmotico è sempre negativo.

Il potenziale idrico, invece, può assumere valori positivi, negativi o essere uguale a 0. Ciò dipende principalmente dalla pressione.

• Ψ_p: pressione di turgore (può assumere valori positivi o negativi).

Nella cellula: è la pressione esercitata dal protoplasto (in massima parte dovuta all’espansione del vacuolo) che spinge la membrana plasmatica contro la parete cellulare. È controbilanciata dalla pressione esercitata dalla parete cellulare. Nelle cellule la pressione di turgore va da 0 MPa nella cellula flaccida fino a +0,5-1,5 MPa nella cellula turgida (mai negativo nella cellula).

La pressione di turgore supporta cellule e tessuti vegetali, specialmente i tessuti giovani e non legnosi. La limitazione dell'acqua riduce la pressione di turgore e provoca l'appassimento dei tessuti.

Nello xilema: si definisce pressione idrostatica o potenziale di pressione. Può avere valori molto negativi (tensione dei vasi) per effetto della traspirazione o nelle pareti cellulari per effetto della tensione superficiale. Può avere però anche valori positivi come nello xilema della radice quando si genera la pressione radicale (da +1 MPa a -3 MPa).

• Ψ_s: potenziale osmotico (sempre valore negativo → Ψ_s = - π dove π = cRT).

I soluti abbassano il potenziale idrico, in quanto riducono l’energia libera del solvente. Le cellule hanno la possibilità di regolare il loro potenziale osmotico, in condizioni di stress idrico, adattandosi alle variazioni ambientali. Tale regolazione avviene attraverso l’accumulo o la perdita di soluti nel citoplasma, modificando così il potenziale osmotico e, di conseguenza, il potenziale idrico totale.