Appunti completi per Fisiologia Vegetale

Il gradiente elettrochimico del trasporto dei protoni

M[ATP] 3x10ΔG di idrolisi:Una volta calcolato il ΔG di idrolisi, devo calcolare il gradiente elettrochimico del trasporto dei protoni, cheè la somma della componente chimica e della componente elettrica.Si ricava che l’idrolisi di un ATP da l’energia necessaria per il trasporto di un protone.Curva di pH +Ovvero come varia l’attività della H -ATPasi in funzione del pH. Si ricorda che qualsiasi enzima ha la suacurva di pH che è sempre una curva a campana.+L’attività dell’H ATPasi è stata studiata su estratti di membrana in funzione dei mezzi di incubazione delmateriale in particolare si verifica la velocità di trasformazione dell’ATP o la velocità di trasporto deiprotoni.sull’ asse y: protoni trasportati nell’unità di tempo per unità di proteinaAsse x: pH a cui è stata misurata questa attivitàLa curva è a campana ma si nota un optimum stretto di

pH a cavallo tra 6,3 e 6,8. Il pH citosolico è più di 7 quindi questo enzima nella cellula non lavora al suo optimum, in vivo reagisce a piccole variazioni del pH citosolico, molto rapidamente. Questo fa si che nel caso si verifichi un evento acidificante, la pompa estrude velocemente protoni, nel caso ci fosse un evento basificante la pompa riduce la propria attività per non aggravare la basificazione. Il pH citosolico deve essere strettamente controllato perché la maggior parte degli optimum degli + ATPasi concorre al enzimi citosolici sono intorno al pH citosolico. L'H mantenimento della regolazione del pH citosolico. Il motivo per cui il suo optimum non è quello citosolico è dovuto alla sua composizione di aa. + ATPasi è garantito da azioni Il rifornimento di protoni all'H biochimiche che comportano la formazione di composti che 9 Fisiologia Vegetale determinano il rilascio di protoni. Il ramo acidificante del pH stato biochimico

è rappresentato dalla reazionedella fosfoenolpiruvato carbossilasi.Il fosfoenol piruvato è un intermedio glicolitico e si trasforma in piruvato con produzione di ATP.Il PEP reagisce con il bicarbonato a dare ossalacetato (un acido organico bicarbossilico con un gruppochetonico in alfa) e un fosfato inorganico.La reazione successiva comprende NADH a opera di una malato deidrogenasi NAD dipendente l’OAA vieneconvertito a malato, in particolare il gruppo chetonico viene ridotto a gruppo alcolico e il NAD vieneossidato.Il bicarbonato deriva dall’anidride carbonica che si idrata a dare acido carbonico. La reazione è spontanea+ 3-ma può essere velocizzata da anidrasi carbonica. L’H CO ha un pK di 6.2/6.3 e si dissocia in H + HCO . Se la2 33-PEP carbossilasi viene stimolata sottraggo HCO alla reazione di equilibrio di conseguenza continuo aprodurre protoni e bicarbonato, l’evento acidificante è il continuo discioglimento di anidride

carbonica in acqua. Il ramo acidificante del pH stato biochimico ci fa vedere l'attività dell'enzima in funzione del pH. L'attività della PEP carbossilasi aumenta enormemente tra 7 e 8, è una curva nell'intorno del pH citosolico, dato che la curva è stretta la basificazione fa aumentare l'attività delle PEP carbossilasi, quindi se l'H-ATPasi viene stimolata tende a basificare e aumentiamo l'attività della PEP carbossilasi che quindi fornisce i protoni. L'attività dell'enzima malico invece aumenta quando il pH diminuisce, si ricorda che l'attività di questo enzima è deacidificante. L'ATPasi concorre al controllo del pH citosolico con i tamponi, che sono la prima linea di difesa, molecole presenti nella cellula che funziono da tampone sono ad esempio il fosfato perché il suo pka è 6.8, in aggiunta c'è l'attività

del potassio aumenta inizialmente con l'aumentare della sua concentrazione nel mezzo esterno, raggiunge un massimo e poi diminuisce con ulteriore aumento della concentrazione. Questo fenomeno è noto come saturazione dell'assorbimento di potassio. Il trasporto del potassio attraverso la membrana cellulare avviene principalmente attraverso canali ionici specifici, chiamati canali del potassio. Questi canali sono regolati da diversi fattori, tra cui il potenziale di membrana e la concentrazione di potassio nel mezzo esterno. Il potassio svolge diverse funzioni all'interno delle cellule vegetali. È coinvolto nella regolazione dell'equilibrio idrico, nella regolazione dell'apertura e chiusura degli stomi, nella sintesi di proteine e nella trasmissione degli impulsi nervosi. Inoltre, il potassio è coinvolto nella regolazione del pH cellulare. L'acidificazione del pH cellulare è necessaria per l'attivazione di alcune enzime, come la decarbossilasi, che catalizza la decarbossilazione di alcuni composti organici. Il trasporto di nutrienti attraverso la membrana cellulare avviene anche grazie al gradiente elettrochimico di protoni. Questo gradiente può essere utilizzato per il trasporto di composti inorganici, come gli ioni, e composti organici. In conclusione, il trasporto del potassio e di altri nutrienti attraverso la membrana cellulare è un processo fondamentale per il corretto funzionamento delle cellule vegetali. La regolazione di questi processi è essenziale per garantire l'omeostasi chimica ed elettrica delle cellule vegetali.

Il delpotassio aumenta all'aumentare della concentrazione fino a una concentrazione compresa tra 0,1 e 1 mM. In particolare, alla concentrazione di 1mM abbiamo un plateau. Se aumenta ulteriormente la concentrazione del potassio, notiamo che l'assorbimento di potassio riprende ad aumentare e in queste condizioni non arriva a saturazione, se non con concentrazioni di potassio esterno elevatissime. L'assorbimento che va alla prima saturazione è detto assorbimento con meccanismo I di trasporto del potassio e, visto che va a saturazione con 0,1 mM, è un trasporto ad alta affinità. La seconda parte della curva è dovuta al meccanismo II che, non saturandosi o saturandosi a concentrazioni molto elevate, è detto meccanismo a bassa affinità. Il potassio entra controgradiente chimico ma secondo gradiente elettrico. La componente chimica del gradiente è sempre favorevole, positiva, a meno di avere concentrazioni molto elevate di potassio nel mezzo esterno.

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La componente elettrica invece è favorevole. A seconda che la componente elettrica sia più favorevole di quanto è sfavorevole la componente chimica, il potassio entra passivamente o attivamente.

Trasporto di ioni

All'esterno il pH si acidifica. L'entrata del potassio è regolata da un trasporto attivo secondario in sinporto con protoni, parte dei protoni estrusi non possono rientrare attraverso la membrana che è impermeabile, il loro trasporto verso l'interno attraverso un trasportatore fornisce energia per il trasporto di altre specie chimiche in simporto con essi, in particolare il trasporto attivo del potassio è strettamente dipendente dalle ATPasi. Il trasporto passivo del potassio è invece mediato da canali ionici, questi sono presenti su tutte le cellule e si aprono solo quando il potenziale elettrico nella cellula è più negativo del potenziale di Nernst, i canali si aprono in

situazione di iperpolarizzazione. È inibito dal calcio nel citosol. Siccome il gradiente elettrico che rende favorevole l'entrata del potassio tramite i canali ionici è dovuto all'attività della H ATPasi, anche l'entrata passiva del potassio dipende dalla concentrazione dei protoni. Il potassio esce attraverso canali ionici che sono stati studiati nelle cellule degli stomi, questi vengono attivati da una depolarizzazione ovvero quando il potenziale elettrico diminuisce in valore assoluto, il potassio esce perché il gradiente elettrico non è sufficientemente favorevole per bilanciare il gradiente di concentrazione sfavorevole. I canali per l'entrata del potassio hanno una certa permeabilità anche ad altri cationi in particolare allo ione ammonio la cui permeabilità è 1/5 di quella del potassio, il sodio Na per il quale la permeabilità è 1/10 di quella del potassio e al calcio, 1/20 di quella del potassio.

La permeabilità diminuisce all'aumentare del potassio a causa della competizione. Il sodio ha concentrazioni intracellulari più basse di quelle del potassio (8-10 mM), quindi entra passivamente e di conseguenza deve essere espulso attivamente. La concentrazione del sodio è circa 1/10 di quella del potassio. Nella cellula vegetale potrebbe avere la stessa concentrazione, ma causerebbe tossicità, per questo è molto importante non far entrare alte quantità di sodio. Il trasporto attivo che porta fuori sodio è accoppiato all'entrata di protoni. L'azoto è un elemento essenziale perché contenuto negli amminoacidi, lo si può trovare nella pianta sotto forma di ammonio o nitrato. Se il gradiente elettrico è favorevole, l'ione ammonio può entrare passivamente sfruttando i canali del potassio, ma se il gradiente elettrico è sfavorevole, allora NH3 entra con un trasporto attivo in simporto con protoni.

Il gradiente protonico consente di assorbire una delle due forme di azoto inorganico presenti all'esterno. Nelle cellule ci sono altri anioni come il nitrato, il cloruro necessario per la fotosintesi, il fosfato (fosfolipidi, zuccheri fosforilati, nucleotidi ecc), il solfato (fonte di zolfo in metionina e cisteina, quindi nelle ferro-zolfo proteine) sono tutti nutrienti essenziali. Gli anioni sono assorbiti secondo un trasporto attivo secondario in simporto con protoni, mentre la loro uscita è passiva, quindi il gradiente protonico viene in parte utilizzato, gli H+ (ogni anione avrà il suo trasportatore). La stechiometria tra protone e anione monovalente è 2:1, quindi rientrano più cariche positive che negative. I canali ionici per l'uscita passiva degli ioni sono permeabili sia a anioni inorganici che organici come il malato. Trasporto di amminoacidi e zuccheri Occorrono sistemi di trasporto non solo per le molecole inorganiche.ma anche per le molecole organiche essenziali per la cellula. Ne è un esempio l'azoto inorganico che viene assorbito dalla radice e successivamente organicato dalle cellule e poi trasportato in tutta la pianta sotto forma di amminoacidi. Siccome tutte le cellule vegetali necessitano degli amminoacidi, l'azoto inorganico viene trasportato attraverso lo xilema nella parte aerea della pianta. Dato che le cellule dello xilema sono morte, le varie cellule accettrici devono avere dei sistemi per assorbire gli amminoacidi. Anche per gli amminoacidi l'assorbimento è garantito da un trasporto attivo secondario in sinporto con protoni. Oltre agli amminoacidi, occorrono anche sistemi di trasporto e assorbimento per gli zuccheri. Questo perché non tutte le cellule producono zuccheri e quindi ne necessitano e al contrario altre lo accumulano e devono essere in grado di ridistribuirlo. Anche in questo caso dall'esterno verso l'interno.

abbia