Appunti di elementi di fisiologia vegetale, Simone Ferrari

In piante e alghe verdi (no cianobatteri)

Possono essere fino a 40 50 (cellule mesofillo)

Nella cellula si orientano in base all’intensità luminosa:

-luce forte: pareti cellulari ortogonali a superficie foglia

-luce debole: pareti cellulari parallele a superficie foglia

Hanno una enorme importanza metabolica (fotosintesi e numerosissime vie biosintetiche):

sintesi aminoacidi, acidi grassi, alcuni metaboliti secondari

Accumulano temporaneamente amido (met 1ario), scisso per fornire energia alle parti della

pianta non fotosintetizzanti

Ogni cloroplasto contiene decine/centinaia di copie di un unico genoma a DNA circolare

(1962) COME BATTERI (solo piu’ copie)

DNA libero da istoni COME BATTERI

Eredità materna (citoplasmatica) via scissione binaria COME BATTERI

Il cloroplasto codifica anche i propri RNA ribosomiali e tRNA.

Il cloroplasto è semiautonomo, contiene componenti necessari per sintesi di alcuni, ma

non tutti i suoi polipeptidi. Da solo non possiede abbastanza geni per codificare le 1000

differenti proteine trovate al suo interno. Per questo ogni complesso multimerico contiene

proteine codificate nel nucleo (e poi importate nel cloroplasto) e altre nel cloroplasto.

I 100 geni del cloroplasto sono trascritti da RNA polimerasi specifica e tradotti da ribosomi

specifici

Distinguibile per struttura interna in lamelle endocondrali (tilacoidi), alcuni raggruppati in

grana, altri singoli (tilacoidi stromatici) immersi nella matrice (stroma), ma tutti

interconnessi. Clorofille e carotenoidi nella membrana tilacoidale

Le lamelle dividono in due compartimenti:

-lume (dentro membrana tilacoidale)

-stroma

Solamente i tessuti esposti alla luce producono cloroplasti, negli altri involvono in ezioplasti

Amiloplasti

Plastidi non pigmentati, privi del sistema tilacoidale, contengono granuli di amido e sono

comuni negli organi di riserva (lo sintetizzano?)

In alcuni casi, es. nei tuberi di patata, i granuli di amido riempiono quasi completamente lo

stroma. Nelle cellule della cuffia della radice, partecipano alla percezione della gravità

(statoliti).

Leucoplasti

Plastidi incolori coinvolti nelle biosintesi di numerosi composti, tra cui terpeni.

Caratterizzati da un sistema a due membrane, un denso stroma, un sistema interno di

membrane poco sviluppato e presenza di plastoglobuli (gocce lipidiche)

Sono circondati da un reticolo endoplasmatico liscio che collabora alle biosintesi.

Cromoplasti

Responsabili della colorazione di frutti, fiori e radici. La loro colorazione dipende dalla

particolare combinazione di caroteni e xantofille

Il loro sviluppo è accompagnato da una massiva induzione di enzimi che catalizzano la

biosintesi di carotenoidi

Possono essere risultato della differenziazione di cloroplasti tramite perdita clorofilla,

scomparsa tilacoidi, accumulo carotenoidi (es. frutta come pomodori)

Ezioplasti

Plastidi in cui lo sviluppo da proplastidi a cloroplasti e’ stato fermato dall’assenza di luce

Contengono il precursore incolore della clorofilla (la protoclorofillide) ed hanno una

struttura membranosa interna quasi cristallina chiamata corpo prolamellare, costituito dai

lipidi che costituiscono le membrane interne, ed è povero invece delle proteine di

membrana. Caratterizzato da struttura tubulare

Gli ezioplasti esposti alla luce sintetizzano la clorofilla e assemblano uno stabile sistema

membranoso interno costituito da tilacoidi (es semi)

INTERCONVERSIONE I plastidi si dividono per scissione binaria

Avviene contemporaneamente a divisione cellulare

Nelle cellule mature plastidi si dividono comunque

Dal numero di plastidi si capisce se divisione veloce o lenta

IPOTESI ENDOSIMBIOSI

(per spiegare il genoma batterico)

Mitocondri

La struttura base dei mitocondri animali e vegetali è simile con una matrice interna, una membrana

interna, uno spazio intermembranale e una membrana esterna.

Presentano peculiarità metaboliche

Parete cellulare

Struttura che circonda il protoplasto esternamente alla membrana plasmatica. Composta principalmente

da polisaccaridi, proteine e composti fenolici

Spessore da 0,1µm a 100 µm, varia molto in base al tipo di cellula (sostegno: sclerenchima, xilema)

Funzioni Membrana plasmatica e parete sono indipendenti

-Esoscheletro e mantiene/determina forma e grandezza cellula fisicamente.

impedisce rottura m.p. quando protoplasto aumenta in volume Se si mette in una sol con molto sale, H2O esce e la

-Supporto e resistenza meccanica membrana si divide da essa, diminuisce volume

quando è poco sottile, non ha questa funzione, solo turgore cellula (plasmolisi)

-Permette creazione pressione turgore (0,2 MPa)

il vacuolo da solo distruggerebbe la pianta

-Responsabile architettura pianta/ forma cellula (es tricomi)

-Ruolo metabolico (enzimi)

-Barriera fisica per patogeni (fitoalessine, lignina)

-Segnalazione (oligosaccarine) NORMALE IPERTONICA PLASMOLISI

Protoplasto: cellula esclusa parete cellulare (in natura non esistono senza parete, solo digestione artificiale)

Struttura

A strati, Sintetizzata a strati da esterno verso interno, interrotta nei punti dove vi sono plasmodesmi

-Lamella mediana

30nm (o meno)

strato piu’ esterno, fatta principalmente di pectina, unisce due cellule contigue (cemento intercellulare)

se si perde (es patogeni) le cellule si separano (macerazione) come nei frutti (per enzimi specifici)

IN TUTTE -Parete primaria

0,1-1micrometro

Depositata da cellule in accrescimento, cellule in divisione, vive, attive in processi metabolici

Campi di punteggiatura primari: aree meno ispessite dove passano i plasmodesmi

Pectina (35%), emicellulosa (25%), cellulosa (25%), proteine (1-8% in dicotiledoni)

Flessibile ma dà pressione di turgore

-Parete secondaria

Non si forma sempre, strato duro e spesso, lignificato

Depositata tra parete primaria e membrana plasmatica dopo che exp cellulare è completa (impedisce acc)

spesso cellula muore dopo deposizione.

Cellulosa piu’ abbondante che in primarie, può mancare di pectina : RIGIDITA’

Spesso costituita da strati distinti S1 S2 S3 (da esterno verso interno),diversi per orientazione microfibrille

Funzione di supporto, con elevata proporzione di cellulosa o lignina, ma anche suberina, cutina, cere

(CELLULE SPECIALIZZATE NEL SOSTEGNO E CONDUZIONE ACQUA)

Punteggiature: interruzioni, in corrispondenza (ma non solo) dei campi 1ari , questo perché le pareti 2°

non sono permeabili all’acqua, tranne in corrispondenza delle punteggiature

Possono essere SEMPLICI o AREOLATE

Composizione

Si intuisce tramite estrazione con soluzioni calde di ossalato d’ammonio, poi divise in parti solubili e non.

Fase di matrice (amorfa) Fase fibrillare

LEGATE TRASVERSALMENTE IMPALCATURA

Emicellulosa(A e B) Pectina Proteine Fenoli Lignina Cellulosa

Cellulosa: Polimero lineare del D-glucosio con legame glucosidico 1-4 (tra C). Può essere orientato in

modo alfa (ruotato) o beta (planare), nel caso della cellulosa è beta. (amido alfa)

Il legame beta permette di avere interazioni tra catene diverse e formare le microfibrille.

Il legame beta permette una maggiore resistenza alla degradazione enzimatica (+ legami?)

Per questo motivo cellulosa è piu’ difficile da digerire anche per gli organismi viventi.

Legami H tra 20-40 catene formano una microfibrilla, che si legano come fili di corde

Un singolo legame H non è forte, ma tutti insieme danno un’enorme resist. a TRAZIONE

L’unità ripetuta è il cellobiosio (due molecole di glucosio)

Le microfibrille della cellulosa so no composte da regioni cristalline (MICELLE) ed amorfe

Le regioni amorfe sono più sensibili all’azione di cellulasi

Cellobiosio Crescita può avvenire solo in direzione perpendicolare

rispetto all’orientamento delle microfibrille di cellulosa

Non si può torcere ma comprimere

(COME MOLLA)

Pectine: Polisaccaridi acidi, presenti soprattutto in PARETE 1° e LAMELLA MEDIANA

Sono polisaccaridi a blocchi, blocchi di pectina legati tra loro con =

Polisaccaridi piu’ solubili della parete (facili da degradare) IDROFILI : flessibilità a parete

Molecole ramificate Porzioni ramificate servono a non fare legami con

altre pectine (es. ionici con Ca2+), tiene distanti

Perciò è anche piu’ porosa

Pectine lineari presentano + legami : meno porosa

PECTINA DETERMINA POROSITA’ PARETE

Legami α 1-> 4 (a volte anche beta)

es. Ramnogalatturonano I

molto ramificato, catene laterali di arabinani e galattani, il Boro rende la membrana + rigida

Omogalatturonano

il piu’ semplice, catena non ramificata

Demetilazione I gruppi COO- dell’omogalatturonano quando non sono metilati possono legarsi con ioni Ca++ e

a fine crescita ++ a formare egg boxes. Responsabili della formazione di gel

- Acqua (pol. Piu’ gruppi carbossilici (COO-) sono metilati e acetilati, cioè con gruppi neutri si previene il legame

Lignina) con Ca++, se liberi invece fanno legame COO-Ca-COO

(erano solub)

Formazione

legami con Ca

RIGIDITA’ Vi sono enzimi che staccano gruppi esterici e rilasciano gruppi carbossilici e ciò permette di fare

i legami con Ca++ : DEMETILAZIONE tramite PMEs (toglie OCH3) : PIU’ RIGIDO

Arabinani

Per la sintesi dei polisaccaridi della parete vi sono un numero enorme di geni, soprattutto per le proteine

(enzimi) che modificano i polisaccaridi – glicosiltrasferasi

Emicellulose: Le emicellulose sono polisaccaridi di matrice non cariche

Molecole ramificate

Si legano tramite legami H

Possono interagire con cellulosa con legami H : LIMITANO ESTENSIBILITA’ PARETE

tengono insieme microfibrille diverse

Acido ferulico (fenolo): si lega con componenti della cellulosa

Proteine: STRUTTURALI

Molte glicoproteine modulari, ricche in aminoacidi

idrossiprolina (estensine) HGRP; prolina PRP; glicina o lisina GRP

Appena secrete sono relativamente solubili

Diventano sempre più insolubili durante la maturazione cellulare o a seguito di ferite e

attacco dei patogeni (PARETE MENO FLESSIBILE)

Processo di insolubilizzazione dovuto a legami intermolecolari di difeniletere fra le

tirosine

Vengono indotte durante le ferite o attacco dei patogeni

Due frammenti di tirosina tramite perossidasi si

condensano e formano isoditirosina (difeniletere)

AGP

Sono proteine con catene laterali di arabinogalattani: il 90% della massa puo’ essere degli

zuccheri! Potrebbero essere importanti nella segnalazione durante il differenziamento

Molto molto molto ramificate

Enzimatiche

Enzimi ossidativi – perossidasi

Enzimi idrolitici per la degradazione dei legami dei polisaccaridi di parete (pectinasi,

cellulasi, emicellulasi )

Enzimi per l’espansione cellulare (trans-glicosidasi )

Altre proteine per l’espansione : Espansine (sono enzimi?)

Architettura

-La struttura completa della parete dipende da legami Ca o metile nelle PECTINE: rispettivamente + o –

dura. L’NH3 della lisina può legarsi con COO- degli acidi pectici.

-EMICELLULOSA si lega con cellulosa tramite legami H, se si rompono permettono lo slittamento della

cellulosa, mediata da ESPANSINA

-PEROSSIDASI è ossidativa e reagisce in presenza di H2O2 e lega tramite condensazione unendo in

isotirosina o nel caso dei fenoli forma difenoli, la funzione è quella di fare da ponte nelle PROTEINE

Le proteine sono idrofiliche e possono formare legami H, le estensine possono formare legami covalenti fra

residui di tirosina

La composizione è molto variabile ma vi sono due pattern

-TIPO1 (es. graminaceae) Cambia il rapporto tra pectina/emicellulosa

-TIPO2 Precursori lignina

Lignina

Polimero di composti fenolici, specialmente fenilpropanoidi

Rinforza e impermeabilizza parete cellulare

Aumenta la resistenza all’attacco dei patogeni

I precursori sono solubili, ma nella parete la sintesi di lignina elimina H2O dalla parete e forma una trama

idrofobica che lega la cellulosa e previene l’espansione cellulare: impermeabile e resistente a stress

meccanici Si forma nella parete 2° ma spesso anche

1° o lamella mediana

Vi sono piu’ tipi di lignina, rel. Diverse tra i

monomeri danno car. Fisiche diverse

Suberina, Cere, Cutine

una varietà di lipidi sono associati alla parete per ridurre le perdite di acqua (cuticola) e impedire

l’ingresso di patogeni

-Suberina (sughero)

Formata da: • acidi grassi ossidrilati e non

• acidi dicarbossilici a lunga catena (> 16 C).

• alcooli a lunga catena (> 16 C)

• fenoli (ac. ferulico) (50-75%)

-Cutina (cuticola)

Strato ceroso. Polimero eterogeneo formato da:

•acidi grassi ossidrilati (>= 16 C)

•cere

•piccole quantità di composti fenolici

SINTESI PARETE CELLULARE

Il mattone fondamentale per la sintesi dei componenti polisaccaridici della parete cellulare e’: l’NDP-

zucchero. Es. UDP-glucosio (uridina difosfato-glucosio)

La sintesi degli NDP-zuccheri dagli zuccheri 1-P avviene nel citosol.

Zucchero 1-P + PPP-R-N (NTP) Zucchero-P-P-R-N +PP

PP + H2O 2P

P: fosfato R: ribosio (?) N: base azotata(?)

Questa reazione e’ catalizzata dalla: NDP-zucchero pirofosforilasi

( NTP-zucchero 1-P nucleotidil transferasi. )

Tramite varie vie metaboliche

e una serie di enzimi vengono

prodotti i vari NDP-zuccheri

TUTTO PARTE DA SACCAROSIO Quali componenti della parete (polisaccaridi) vanno a

costituire gli NDP-zuccheri

POLIMERIZZAZIONE

La polimerizzazione avviene per trasferimento di monosaccaridi dagli NDP-zuccheri alla catena

polisaccaridica in crescita, generalmente all’estremita’ non riducente

NDP-zucchero + polisaccaride (n) → NDP + polisaccaride (n+1)

Tale reazione e’ catalizzata dalla:

zucchero-nucleotide-polisaccaride glicosiltransferasi o polisaccaride sintasi o sintasi.

I polimeri della matrice vengono sintetizzati nel Golgi e secreti in vescicole verso la parete

Sintetizzati da zucchero-nucleotidedifosfatopolisaccaride glicosiltransferasi legati alla membrana del Golgi

I gruppi metilici dei galatturonani e glucuronoxilani sono aggiunti dopo la polimerizzazione. Si pensa che il

cis Golgi sintetizzi le catene polisaccaridiche, nelle cisterne mediali si realizzi l’esterificazione e nel trans

Golgi l’aggiunta di catene laterali

SINTESI CELLULOSA

Le microfibrille di cellulosa sono sintetizzate da particelle (rosette) incluse nella membrana plasmatica, che

permettono lo scorrimento.

UDP-glucosio è il precursore

L’analisi dei geni clonati della cellulosa sintasi suggerisce la presenza di due due siti attivi che consentono il

legame di due UDP-glucosio per ciclo di sintesi (viene aggiunta ad ogni ciclo un’unità di cellobiosio)

Presentano struttura a 6 particelle in circolo, 6

subunità con ogni subunità che presenta copie di un

enzima che sintetizza cellulosa, celluloso sintasi

Prima il saccarosio viene scisso dalla saccarosio

sintasi, il glucosio si trova sotto forma di UDP gluc

A questo punto la celluloso sintasi lega due UDP

gluc alla volta (aggiunge un’unità di cellobiosio)

Le microfibrille vengono espulse dalla parte opposta

della membrana, integrandole nella parete cellulare

Questo complesso scorre lungo un microtubulo del citoscheletro lungo la membrana plasmatica,

permettendo la sintesi di lunghi filamenti. L’orientamento della deposizione della cellulosa è determinato

dai microtubuli posizionati sulla faccia interna della membrana plasmatica.

La disposizione della cellulosa avviene in modo casuale RANDOM è il movimento della cellulosa sintasi

La via che sintetizza cellulosa e quella

che sintetizza gli altri polisaccaridi sono

2 vie diverse (Golgi e membrana plasm)

SINTESI LIGNINA

-Via dell’acido scichimico PARTE I Vengono sintetizzati insieme, vengono tolti i gruppi P,

uno dei 3 gruppi OH, un gruppo O trasformato in OH,

questo H sostituito con P, poi tolto OP, aggiunto acido

carbossilico al posto di H di un OH : acido corismico (o

corismato)

-Sintesi degli aminoacidi aromatici PARTE II poi al posto di O ci piazzo OH, tolgo il COOH e OH solitari

-Sintesi dei precursori della lignina PARTE III

A partire dalla fenilalanina produco fenil-propanoidi: alcol paracoumarilico, coniferilico, sinapilico

-Polimerizzazione radicalica

Una monofenolo monossigenasi produce radicali ossidando fenoli, i radicali sono molto reattivi e possono

formare legami con altri : POLIMERIZZAZIONE Si pensava la sintesi

fosse casuale, invece è

formata a blocchi a

seconda del tipo di

cellula e delle

condizioni ambientali

NON E’ CASUALE

FORMAZIONE PARETE CELLULARE

Nuove pareti primarie sono assemblate durante la citochinesi

Viene sintetizzata a livello della membrana plasmatica

Unione dei componenti: auto-assemblaggio

assemblaggio enzimatico Si formano vescicole dal Golgi che si

fondono l’una con l’altra trascinate dai

microtubuli del fragmoplasto, dando origine

alla piastra e poi alla parete che all’inizio

è solo costituita da pectina, essendo solo

lamella mediana.

Le membrane delle vescicole contribuiscono

a formazione membrana plasmatica

I microtubuli

non servono piu’

Fragmoplasto: sistema di microtubuli, si forma tra due nuclei figli, composto da microtubuli in due gruppi

opposti, da una parte e l’altra del piano di divisione.

Piastra cellulare si presenta inizialmente come disco sospeso nel fragmoplasto, non tocca le pareti della

cellula in divisione. Mano mano si estende fino a raggiungere i bordi.

I TRASPORTI: MOVIMENTO DI ACQUA E SOLUTI

In generale, lo studio del movimento di una particolare sostanza include la valutazione di:

Energia in gioco: ΔG o se ci riferiamo ad una mole Δµ

Velocità: dipende dal gradiente di potenziale elettrochimico lungo la direzione del

movimento (dµ/dx) che determina la FORZA GUIDA, e dalle caratteristiche del

mezzo attraverso cui avviene la diffusione (vi sono movimenti senza energia ma

molto lenti)

Distribuzione delle molecole all’equilibrio

Energia libera (di Gibbs): energia disponibile per compiere lavoro. Dipende dall’energia per molecola e dal

numero di molecole.

L’energia libera per mole di una data sostanza è indicata come potenziale elettrochimico. Espresso in unità

di energia (Joules/mol)

Il potenziale elettrochimico non può essere misurato come valore assoluto, ma si possono misurare le

a T costante

variazioni di energia libera e di potenziale elettrochimico tra due stati diversi

µ = µ(0)+ RT ln a + PV + zEF + mgh Joules/mol

µ0 = potenziale in condizioni standard (T considerata, P atmosferica, attività unitaria della sostanza)

R= costante dei gas

T= T in °K

a = attività, per soluzioni diluite corrisponde alla concentrazione c (in molalità)

P = differenza con la pressione atmosferica

V = volume parziale molare della sostanza

z = carica elettrica (valenza) della sostanza

E = potenziale elettrico del sistema in cui si trova la sostanza; non è una caratteristica intrinseca della

sostanza

F = costante di Faraday

m = massa della sostanza

g = accelerazione di gravità

h = altezza a cui si trova la sostanza

POTENZIALE CHIMICO: Se questo viene riferito all’acqua µ = µ(0) + RT ln a + PV + mgh

Importante perché acqua si muove da radici a foglie

µ0= potenziale standard (per convenzione = 0) riferito all’acqua pura a pressione atmosferica e alla T

considerata

a = frazione molare dell’acqua (=1 per H2O pura) (per convenzione)

volume di una mole d’acqua = 18.03 cm3/mol ovvero 18x10-6 m3 mol-1

m = massa dell’acqua =18

POTENZIALE IDRICO (Ψw) : potenziale chimico dell’acqua diviso il volume molare parziale dell’acqua

Joules/mol :

m3/mol =

Joules/m3

1Pa unità di pressione

1 atm

J/m3=1N*m/m3=1N/m2= = 1,013 x 105 Pa = 0,1013 MPa

Il potenziale idrico ( Ψ w) è l’energia per unità di volume necessaria per trasportare acqua reversibilmente

e isotermicamente da un punto del sistema a un punto di riferimento. Espresso in unità di pressione (es.

J/m3 o MPa).

Funzione potenziale idrico: -serve per definire la direzione del flusso idrico attraverso le membrane

Ψw alto verso Ψw basso)

cellulari e i tessuti e gli organi della pianta (

-valutare lo stato idrico della pianta

Maggiore è l’attività dei soluti minore è quella dell’acqua; quando aumenta quella dell’acqua diminuisce

quella dei soluti (in fondo è una concentrazione)

Piante con ridotti Ψ w vanno incontro a stress idrico, che a sua volta influenza processi fisiologici

-H2O si muove sempre verso regioni a Ψw più basso

-Ψw sono uguali all’equilibrio

Ψw = Ψs + Ψp + Ψg ρ = densità

Ψw = -π + P + ρgh π = pressione osmotica

press. Soluti P idrost.

Il segno cambia perché maggiore attività acqua minore quella dei soluti

Ψw dipende dalla concentrazione, pressione e gravità.

POTENZIALE OSMOTICO (Ψs) Si può esprimere sia in funzione della frazione molare

dell’acqua che della concentrazione di soluto, secondo

l’Equazione di van’t Hoff

R=costante dei gas

T= temperatura assoluta

Cs= concentrazione del soluto in soluzione, espressa come osmolalità (moli di soluti totali disciolti in un

litro d’acqua, mol/L)

Il segno meno indica che i soluti disciolti riducono il Ψw di una soluzione: Piu’ è concentrata la soluzione,

piu’ è basso il potenziale idrico

Per permettere il movimento verso le radici può spostare i Sali verso i vacuoli (diminuisce conc., aumenta

pot. idrico, movimento centrifugo)

Per permettere il movimento dal suolo verso le radici può assorbire Sali dal terreno (aumenta conc,

diminuisce pot. Idrico, movimento centripeto)

Ψs rappresenta l’effetto sul Ψw dei soluti disciolti nella soluzione.

In una soluzione la frazione molare dell’acqua è < 1.

< 0

Quindi il Ψs di una soluzione è sempre

PRESSIONE OSMOTICA ( π ) : pressione che deve essere applicata ad una soluzione per controbilanciare la

diffusione dell’acqua verso la soluzione più concentrata (tende a bilanciare)

Piu’ la soluzione è concentrata, piu’ la pressione osmotica ( π ) è alta

es. 20 gradi di acqua di mare 2,8Mpa

25 2,8Mpa interviene la T, ma agisce poco

30 2,9Mpa

POTENZIALE DI PRESSIONE ( Ψp )

Ψp si riferisce alla pressione idrostatica.

Ψp si misura come differenza tra pressione del sistema e la pressione atmosferica.

Quindi per l’acqua a pressione ambientale Ψp=0.

Ψp può essere positivo, uguale a zero o negativo

Lo stato di riferimento utilizzato per definire il Ψ w In una soluzione 0,1 M di saccarosio il Ψ w è:

è l’acqua pura a pressione atmosferica e Ψ s= -π = -RTCs

temperatura ambiente.

Potenziale di pressione è generalmente positivo all’interno della cellula. La pressione idrostatica positiva

0,5 , 1 MPa

all’interno della cellula è definita pressione di turgore ( ).

In una cellula se cambio la q. di acqua nel sistema, può variare la pressione: turgore per vacuolo.

Il vacuolo produce la P di turgore, generalmente tende a mantenere la P idrostatica

La cellula tende a mantenere un potenziale positivo perché piu’ entra acqua piu’ aumenta acqua nel

vacuolo e quindi P di turgore che aumenta Ψw , fermando entrata acqua dall’esterno (va da pot maggiore a

minore). L’acqua tende a entrare di sé per soluti nella cellula. AUTOCOMPENSATIVO

(oltre un certo limite non può comunque entrare acqua perché c’è parete rigida)

Potenziale di pressione è generalmente negativo nello xilema quando è attiva la traspirazione (si parla di

tensione o pressione idrostatica negativa)

Ruolo della pressione di turgore

-distendere pareti cellulari durante crescita cellule fino a quando parete diventa

troppo rigida e smette crescita

-aumentare rigidità meccanica delle cellule e tessuti giovani non lignificati: Se Ψp =0 pianta appassisce

P. atmosferica=idrostatica

La plasmolisi si ha quando la cellula perdendo acqua diminuisce di volume causando il distacco della

membrana plasmatica dalla parete cellulare

Le cellule vegetali si comportano da osmometri Cellula vegetale può resistere a pressioni

interne molto alte, cellula animale in

condizioni ipotoniche scoppia (ecco perché

serve scheletro.

IPOTONICA ISOTONICA IPERTONICA

(raggrinzimento)

Con una soluzione ipertonica, l’acqua esce,

ciò porta al trasporto di soluto che però è

insignificante rispetto al passaggio di acqua,

e quindi alla diminuzione di pressione che va

a 0 a un certo punto)

Piccole variazioni del volume cellulare causano

grandi cambiamenti del potenziale di pressione:

ψ p si avvicina a zero con perdite di volume cellulare di appena

il 10-15%

POTENZIALE ALTITUDINALE ( Ψ g )

I due potenziali sono sufficienti a spiegare tutti i movimenti d’acqua nella pianta.

Tuttavia se andiamo a qualche metro, come in una sequoia, serve anche questo.

Rappresenta l’effetto della gravità sul Ψ w .

Dipende dall’altezza ( h) dell’acqua rispetto a quella dell’acqua di riferimento, dalla densità dell’acqua ( ρ

w) e dall’accelerazione dovuta alla gravità (g).

ρ(w)g = 0,01 Mpa m-1 : ad una altezza di 10 m si ha un cambiamento del Ψ w di 0,1 Mpa

Per opporsi a questo che va contro la risalita dell’acqua nello xilema c’è potenziale di pressione idrostatico

negativo che fa risalire acqua

POTENZIALE DI MATRICE ( Ψ m )

In suoli aridi occorre misurare anche Ψ m

Dovuta a forze di adsorbimento che si esercitano sulle molecole d’acqua da parte di macromolecole (o

particelle) con superficie carica o polare

Il potenziale di matrice è negativo o al massimo uguale a zero (quando l’acqua non subisce nessuna forza di

adsorbimento)

Questo è 0 in suoli saturi d’acqua, mano mano che la pianta assorbe acqua, il suolo tende a trattenerla

maggiormente finché non si forma un film sulle particelle (diventa mano mano piu’ negativo)

Potenziale di matrice è una misura (a P atmosferica) della tendenza della matrice ad assorbire altre

molecole d’acqua. Questa tendenza è uguale alla forza media che si esercita sullo strato di molecole

d’acqua legato meno tenacemente (più esterno). In condizioni di massima idratazione tale forza è

praticamente uguale a zero

Assumendo che Ψs sia trascurabile, Ψm (≈ Ψw) si può stimare sulla base della tensione sviluppata,

all’interfaccia liquido-aria, dall’acqua a livello delle superfici ricurve (menischi).

Se le pareti sono cariche, si ha un trattenimento ancora maggiore

(Tensione superficiale, dovuta alle forze di coesione tra le molecole d’acqua)

Si considera che la tensione superficiale equilibri la tensione (pressione negativa) cui sono sottoposte le

molecole d’acqua per effetto delle particelle o macromolecole. P: pressione negativa

Ψm viene considerato come un Ψp T: tens. Sup acqua (7.28 10^-8 MPa m)

r: raggio menisco (piu’ piccolo quanto

piu’ concavo menisco)

La pressione negativa è tanto piu’ forte quanto è piu’ curvo il menisco, ovvero mano a mano che tolgo

acqua dal suolo, il fil passa da curvatura bassa a cruvatura alta, fino ad aderire alla particella, in questo

modo la P negativa (tensione) diventa enorme e impedisce l’entrata

Quindi:

Ψw = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm Nel caso di cellule con pareti cellulari idratate il Ψm non si deve

considerare.

A livello cellulare e tissutale Ψw = Ψs + Ψ p

Potenziale idrico di un tessuto o di una cellula è uguale a quello del liquido o

vapore con cui la cellula o il tessuto è in equilibrio

Visto che le cellule sono circondate da una matrice, si riesce a mantenere un equilibrio, fino a quando gli

stomi si aprono e a quel punto tende ad uscire vapore acqueo, a meno che non si abbia un’umidità

altissima. Tende ad instaurarsi un equilibrio fino a quando Ψw1= Ψw2

MISURE POTENZIALE IDRICO

PSICROMETRO

In base al principio precedente, in base al tempo che passa durante messa in equilibrio, trovo il Ψw

Se Ψw1 maggiore Ψw2 per trovare un equilibrio il vapore acqueo evapora e si condensa dalla pianta alla

termocoppia, questa ha un rilevatore che calcola la q. di acqua che condensa

BILANCIA DI PRECISIONE

Calcola la quantità di acqua che entra in una pianta a partire da soluzione con Ψw noto

CAMERA A PRESSIONE Nello xilema acqua si muove verso

le foglie (verso il basso in questo

caso).

Esercito una pressione interna alla

camera finché non vedo uscire

acqua, significa che ho applicato

P = - Ψp

una pressione

Il potenziale idrico ψ w puo’ essere espresso in funzione della pressione di vapore o dell’RH, perché è

difficile capire la concentrazione dell’acqua in un gas

Pressione di vapore: Acqua pura o soluzione in equilibrio con il suo vapore in un sistema chiuso a una data

temperatura

Per il primo ci si basa sulla legge di Raoult: Una soluzione acquosa esercita una pressione di vapore

inferiore a quella dell’acqua pura e la pressione di vapore

dipen linearmente dalla frazione molare dell’acqua in soluzione.

aw: frazione molare dell’acqua.

pow: pressione di vapore dell’acqua pura alla temperatura considerata. Ψs

forse non Ψw ma

RH =UMIDITA’ RELATIVA

Rapporto tra la pressione del vapor d’acqua presente nell’aria ad una data

temperatura e la massima pressione possibile del vapor d’acqua (pressione di vapore

dell’acqua pura) a quella temperatura.

Compreso tra 0 e 1. (1 se equilibrio tra p acqua e p vapore)

Moltiplicato per 100 è la percentuale relativa di umidità Umidità relativa

Dirett. Prop a Ψw.

in modo logaritmico

Se c’è meno umidità relativa è piu’ facile che l’acqua evapori dalla pianta (perché pressione è quella d’aria)

Posso esprimere Umidità Relativa non solo come rapporti di pressione di vapore ma anche come rapporti di

concentrazioni. Rapporto tra la concentrazione di vapor d’acqua presente nell’aria ad

una data temperatura e la concentrazione massima di vapor d’acqua

che l’aria potrebbe contenere a quella temperatura (ACQUA PURA)

Ovvero a SATURAZIONE Cwv(sat) dipende MOLTO dalla T

Per calcolare Cwv dobbiamo conoscere Cwv(sat).

Piu’ aumenta la T, maggiore è la massima concentrazione di vapor d’acqua

possibile nell’aria (saturazione)

MOVIMENTO SPONTANEO DELL’ACQUA può avvenire per

-Diffusione molecolare (gradienti di C)

-Flusso di massa (gradienti di P)

-Osmosi (gradienti di Ψ)

In generale, lo studio del movimento di una particolare sostanza include la valutazione di:

-Energia in gioco (dipende da ΔG)

-Velocità ( dipende da Ψw )

-Distribuzione molecole all’equilibrio

DIFFUSIONE

La sostanza si sposta spontaneamente lungo un gradiente di potenziale idrico decrescente. Se il movimento

non avviene attraverso membrane semipermeabili (e quindi no potenziale idrico) la forza guida e’ piu’

semplicemente rappresentata dal gradiente di concentrazione dc/dx

La velocità con cui avviene la diffusione è data da: PRIMA LEGGE DI FICK (empirica)

Il flusso ( J s) è la quantità di sostanza s che

attraversa l’unità di area nell’unità di tempo

(moli o grammi /m 2 s). Riflette la velocita’ di

movimento della sostanza s.

Js: flusso Ds: coeff di diffusione

dc/dx: forza guida funz. Della conc.

In caso di osmosi (l’acqua si muove attraverso membrane semipermeabili)

forza guida = dψ/dx J ∞(prop a) - ∆Ψs σs

Influisce la resistenza opposta dalla membrana (1/Resistenza = Permeabilità)

Piu’ è elevata la liposolubilità di una molecola, maggiore è la sua capacità di attraversare la membrana

Il tasso di diffusione dell’acqua non sembra essere in relazione la sua solubilità nei lipidi

La diffusione è rapida a breve distanza, ma estremamente lenta a lunga distanza.

tc=1/2: tempo necessario per raggiungere una concentrazione pari alla metà di quella del punto di partenza

ad una data distanza

es. Cellula tc=1/2=2,5s

Foglia di mais tc=1/2=32 anni

La diffusione è quindi importante per dimensioni cellulari, ma non contribuisce al trasporto a lunga distanza

nella pianta

FLUSSO DI MASSA Attraverso le membrane biologiche il movimento dell’acqua

può avvenire anche per flusso di massa attraverso canali

selettivi per l’H 2O formati da acquaporine

Gruppi di molecole si muovono insieme in risposta a un

gradiente di pressione, da pressione alta a pressione bassa

(es. acqua nelle tubazioni)

In questo caso la velocità del flusso di volume dipenderà dal raggio della tubatura, dalla viscosità del liquido

e dal gradiente di pressione:

LEGGE DI POISEUILLE se il raggio raddoppia la velocità del flusso del volume aumenta

velocità di flusso di un fattore 16 (NON DIPENDE DA DISTANZA?)

Il flusso di acqua J viene spesso espresso in termini di volumi d’acqua che si sposta attraverso l’unità di area

per unita’ di tempo. m^3 · m^-2 · s^-1 = m · s^-1 = m/s

Lp: conduttività idraulica (m*(s^-1)*MPa^-1)

deltaepslion: forza guida in MPa

Trasporto complessivo dell’acqua attraverso la pianta

Movimento passivo (riduzione di energia libera) ma regolato, per

bilanciare lo scambio gassoso con la ritenzione idrica : bilanciamento

traspirazione / assunzione CO2

L’acqua si muove verso potenziali idrici piu’ negativi

SUOLO RADICI FUSTO FOGLIA ATMOSFERA

A seconda se gli stomi (unici pori) sono aperti o meno, essendo la

cuticola idrofoba

TRASPIRAZIONE

Evaporazione attraverso la superficie della pianta, è la principale causa della

risalita dell’acqua nella pianta.

Solo il 5% traspira attraverso la cuticola, il resto tramite gli stomi. Il sito principale della

traspirazione sono le FOGLIE

La traspirazione consiste:

-Nell’evaporazione dell’acqua a livello delle superfici acqua-aria dei tessuti vegetali

dove si ha una PRESSIONE NEGATIVA

-Nel movimento delle molecole di vapore acqueo dagli spazi intercellulari (aria)

all’esterno

All’esterno si ha una situazione di

SATURAZIONE DI UMIDITA’

si crea un gradiente di umidità perché esce

Strato limite: strato di aria a contatto con la pianta

nel quale non cambia umidità relativa

serve per traspirazione, a volte con

accorgimenti come tricomi o stomi

infossati il suo spessore viene aumentato

Il vapor d’acqua si sposta per diffusione dalle foglie

verso l’atmosfera attraverso gli stomi P:permeabilità 1/Resistenza

Quale è la forza motrice

della traspirazione?

Vapor d’acqua si muove per diffusione : Forza motrice è gradiente di concentrazione vapore acqueo ΔC:

- (sì, è un meno) [Cwv(aria)- Cwv(foglia)] Cwv(aria)< Cwv(foglia)

Cwv(aria) può essere misurato facilmente misurando l’RH (o UR) umidità relativa: Cwv = RH · Cwv(sat)

(ricorda, è proporzionale alla temperatura)

Cwv(foglia) può essere calcolato conoscendo:

1) Ψw della foglia ( >-1 MPa)

2) temperatura fogliare

Negli spazi intercellulari l’umidità relativa può essere considerata vicina al 100% (serve nella formula)

Cwv(aria)< Cwv(foglia)

Cwv(foglia) viene stimata assumendo che nello spazio aerifero della foglia la pressione di vapor d’acqua non

sia mai troppo distante dai valori di saturazione (UR = 1)

Nella foglia, l’evaporazione dell’acqua avviene a livello delle pareti cellulari

Il potenziale idrico puo’ essere stimato e risulta approssimativamente pari a P (pressione

negativa, è il potenziale di matrice?)

Potenziale idrico nella foglia è intorno a -1 MPa, che fa risalire l’acqua lungo tutta la

pianta, basta questo

FATTORI CHE REGOLANO PERDITA D’ACQUA DALLA FOGLIA

- Gradiente di vapore acqueo tra interno foglia e esterno (inversamente proporzionale)

Rapporto Cwv – aria ext /Cwv(sat) – foglia è direttamente prop. A RH che è dirett.

proporzionale al potenziale idrico, maggiore è pot idrico piu’ passa, ma qua parliamo

di resistenze, quindi inversamente proporzionale

- Resistenze alla diffusione del vapore acqueo (direttamente proporzionale)

-Resistenza della rima stomatica (rs)

-Resistenza dello strato limite (superficie della foglia) (rb) Sono due resistenze IN SERIE che quindi

possono essere SOMMATE

( r b ) : resistenza dello strato limite alla

diffusione del vapor d'acqua è

proporzionale al suo spessore, che è

principalmente determinato dalla

velocità del vento.

Aspetti anatomici e morfologici della foglia che possono

alterare l'effetto del vento sullo spessore dello strato limite:

-PELI (microscopici frangivento)

-STOMI AFFOSSATI (oleandro, aghi di pino)

-AMPIEZZA E FORMA DELLE FOGLIE

VELOCITA’ DI TRASPIRAZIONE E = velocita’ di traspirazione (moli·m^-2·s^-1 )

Cwv(foglia) = concentrazione del vapor d’acqua nella foglia

(moli·m^-3).

Cwv(aria) = concentrazione del vapor d’acqua nell’aria (moli·m^-

3).

r s + r b = somma delle resistenze della rima stomatica e dello

strato limite (s·m^-1) 1 / (r s + r b) : CONDUTTANZA STOMATICA

( r s ) è l’altro fattore che controlla la traspirazione fogliare.

Regolato da apertura e chiusura stomi

Quanto tempo impiega il vapor d'acqua a diffondere dagli spazi intercellulari della foglia all'atmosfera

esterna? D(H20)

in aria: 2,4x10-5 m^2 s^-1

nei liquidi: 10-9 m^2 s^-1

K=1

distanza tra sup foglia e aria esterna = 1mm

D: 2,4…

tc=1/2: tempo necessario per raggiungere una

concentrazione pari alla metà di quella del punto di

partenza ad una data distanza

Aprendo e chiudendo gli stomi cambio la resistenza

all’uscita dell’acqua

Se c’è vento e basta la maggior parte dell’acqua va via

e il resto (poco) viene usato per le cellule. Non

conviene (quasi), le piante hanno bisogno di apporto

acqua

PUNTI DA RICORDARE

- la forza motrice per la perdita d'acqua dalla foglia è il gradiente di concentrazione assoluta

- l’entità del gradiente dipende dalla temperatura

TRASPORTO FUSTO

Meccanismo di tensione-coesione: Teoria che spiega l’ascesa dell’acqua nello xilema

-Forza motrice (tensione)

Tensione (-1 MPa) viene generata dalla traspirazione, perché nonostante nello xilema c’è pressione

negativa, allora le molecole d’acqua non bollono nello xilema stesso

-Coesione/adesione

Le forze di coesione/adesione delle molecole d’acqua consentono la trasmissione della tensione e

la formazione di colonne d’acqua intatte che determinano la risalita dell’acqua nello xilema.

-Struttura del percorso

CARATTERISTICHE H2O

Molecola polare

L’H2O non ha carica netta, ma le cariche parziali opposte la rendono una molecola polare

i dipoli (δ+ e δ-) consentono la formazione di legami H tra molecole di H 2O adiacenti e tramolecole

di H2O e altre molecole contenenti residui –OH e NH 2 . Ciò fa sì che vi sia una certa coesione tra le

molecole d’acqua : TENSIONE TRASMESSA (superficiale?)

Ciascuna cellula della foglia è molto vicina ad una ramificazione dello xilema (3-5 cellule di

distanza). La tensione può trasmettersi fino allo xilema delle piccole nervature

Conseguenza di questa sono

-alto calore specifico: energia richiesta per innalzare la temperatura di una sostanza di un

determinato valore (cosi le cellule della pianta non cambiano rapidamente temperatura)

-alto calore latente di evaporazione: energia richiesta per separare le molecole dalla fase

liquida e spostarle nella fase gassosa (così la foglia rimane fresca durante la perdita di

acqua per evaporazione attraverso la traspirazione)

-coesione: attrazione tra H2O. In una interfaccia aria/acqua, le molecole di H2O sono più

attratte tra loro che dalla fase gassosa, con conseguente riduzione dell’area di superficie

dell’interfaccia: TENSIONE SUPERFICIALE

La coesione consente all’H2O di resistere a una grande forza di tensione (fino a -30 MPa in

piccoli capillari) e consente la trasmissione della tensione lungo la colonna

-adesione: attrazione con molecole pol ari solide (parete cellulare, vetro)

La tensione superficiale, la coesione e l’adesione sono le caratteristiche che determinano anche la

CAPILLARITA’: In assenza di traspirazione, per azione delle forze di coesione e di adesione, tendenza

dell’H2O di risalire un sottile tubo contro la forza di gravità.

(ma non è la capillarità che fa risalire l’acqua nello xilema!)

STRUTTURA PERCORSO

La lignificazione delle pareti cellulari dello xilema consente la trasmissione della tensione e impedisce il

collasso degli elementi conduttori.

XILEMA

Tracheidi e elementi dei vasi:

-Cellule morte Funzioni

-Pareti secondarie ispessite 1. trasporto H2O e ioni

-Punteggiature laterali più numerose nelle tracheidi minerali

Elementi dei vasi (solo loro) : 2. sostegno

-Perforazioni terminali

Acqua passa piu’ verticalmente che orizzontalmente, mentre nelle tracheidi no.

Le tracheidi sono presenti in tutte le piante vascolari

Gli elementi vasali sono presenti nella maggior parte della angiosperme e sono assenti nella maggior parte

delle gimnosperme

Placche di perforazione Punteggiature

Minor resistenza Maggior resistenza

(elementi dei vasi?)

Quando le cellule xilematiche divengono mature vanno incontro a morte cellulare programmata. Prima si

ha una crescita per distensione, poi lo spazio interno viene praticamente occupato in gran parte dai vacuoli,

infine compare parete secondaria. Rimane solo la parete secondaria

In generale nelle ore piu’ calde della giornata si ha

un flusso maggiore nella linfa xilematica

Questo dimostra che il flusso dipende dalla

TRASPIRAZIONE, maggiore è questa (ore calde),

maggiore è il flusso.

Quindi l’acqua si muove secondo un gradiente di

potenziale ionico originato dalla traspirazione

Il flusso d’acqua negli elementi xilematici e’ dato dall’equazione di Poiseuille

CAVITAZIONE: Se una piccola bolla di gas si forma nella colonna d’H2O sotto tensione, la colonna d’acqua

viene interrotta. La pressione radicale potrebbe ovviare al problema della cavitazione.

Qua si vede come P.I. è

massimo negativo

nell’aria esterna (genera

movimento per

diffusione verso

l’esterno)

Si nota come il P.P è

negativo per la parete

cellulare e positivo per il

vacuolo. Reso negativo

lungo lo Xilema, ma piu’

negativo che nelle radici

(genera movimento)

Il P.O. è sempre

negativo, molto nei

vacuoli, per cui questi

attraggono acqua

Se non ci sono troppi Sali sciolti nel suolo, questo ha P.I. molto maggiore della pianta, quello piu’ vicino ha

P.I. simile perché tende a trattenerla. Da qui (radici) passa allo xilema perché questo ha P.I. minore

RADICI

Le cellule epidermiche delle radice nella zona di assorbimento (verso la parte apicale) hanno estensioni,

peli radicali, che aumentano la superficie per assorbimento. Questo avviene nelle parti piu’ giovani delle

radici, verso il basso

Le parti più vecchie della radice hanno un’esodermide, cellule con pareti cellulari con sostanze cerose,

idrofobiche e impermeabili Endodermide: singolo strato di cellule che

separa corteccia da vasi. Regola il passaggio o

meno dell’acqua verso l’interno (l’acqua oltre

ai nutrienti può presentare metalli pesanti

nocivi). Presenta bande del Caspary, porzioni

di parete primaria e lamella mediana

ANTICLINALI (quindi fa muro tra cellule

adiacenti) impregnate di suberina. BLOCCA

MOVIMENTO APOPLASTICO dei soluti : tutto

deve passare attraverso protoplasto

Periciclo: cellule non vascolari, si origina dal

procambio come i tessuti vascolari. All’inizio

cellule parenchimatiche con pareti primarie,

ma sviluppano pareti secondarie.

Le radici laterali si originano dal periciclo

Il periciclo contribuisce all’origine del cambio

cribro vascolare

Prolifera, dà origine ad altri strati di periciclo

Corteccia: area piu’ ampia, cellule

parenchimatiche con funzione di

assorbimento, prive di clorofilla, possono

andare incontro a crescita secondaria.

Numerosi spazi intercellulari per areazione

cellule (caso estremo: AERENCHIMA).

Possono seguire sia via simplastica che via

apoplastica

Vie di trasporto dell’acqua attraverso la radice

-Via apoplastica – tra le pareti

-Via transmembrana

-Via simplastica – plasmodesmi

A livello dell’endoderma l’apoplastica viene interrotta (Bande del Caspary)

Passa tutto tramite membrana plasmatica, ovvero ciò che ha recettore specifico

Una volta entrata nello xilema, l’acqua passa tramite POTENZIALE IDRICO

Quindi è importante per la pianta mantenere nelle radici un potenziale negativo rispetto al suolo intorno.

Ciò viene fatto nel giorno per traspirazione, quando non c’è traspirazione il P.I. negativo viene mantenuto

da soluti nelle radici (nelle cellula parenchimatiche) e quindi pressione osmotica, diminuisce P.I.

Inoltre appena entra, visto che lo xilema ha pareti rigide, l’acqua per tensione viene spinta IN ALTO

Ψsuolo > Ψradice (xilema)

Ψradice (xilema) SEMPRE NEGATIVO (-0,5, -1,0 MPa)

Ψs dovuto alla presenza di ioni

Ψp negativo quando c’è traspirazione STESSA COSA DELLA

TRASPIRAZIONE

INIBITORI RESPIRAZIONE (es. cianuro)

Inibiscono l’assunzione di acqua: presenza processi attivi

Ciò spiega l’appassimento delle piante in campi allagati (il suolo è saturo quindi non passa O2 nella pianta

che appassisce)

PRESSIONE RADICALE

In seguito a taglio del fusto di una giovane piantina: trasuda liquido xilematico dalla regione di taglio

ψ p= 0.05-0.5 MPa

Si genera a causa della presenza di ioni nello

xilema della radice, riversati probabilmente dalle

cellule parenchimatiche dello xilema

Xylem loading: simplasto in apoplasto

Nello xilema della radice

si abbassa Ψs consegue

richiamo di acqua consegue

si innalza Ψp (pressione radicale)

In assenza di traspirazione, la pressione radicale viene “smascherata”:

GUTTAZIONE: alcune piante trasudano l’eccesso di linfa grezza durante la notte attraverso gli idatodi

SUOLO

Capacità di trattenere e cedere acqua dipende dalle dimensioni delle particelle che compongono il suolo

Sabbia: grandi particelle, piccola area di superficie, grandi canali tra le particelle, l’acqua e’ velocemente

assorbita.

Argilla: piccole particelle, grande area di superficie, piccoli canali tra le particelle che trattengono l’H 2O.

L’humus migliora le capacità di drenaggio dell’argilla.

Capacità di campo: quantità di acqua trattenuta dal terreno dopo drenaggio per gravità. (Elevata per

l’argilla, bassa per la sabbia)

Nel suolo ψw = ψs + ψm

Valori tipici del ψw del suolo sono -0,1 / -0,5 MPa.

ψs è generalmente trascurabile (≈ 0 MPa) (soluzioni diluite). Nei suoli salini però ψs = -0,2 MPa

ψm dipende dal contenuto idrico del suolo, ed è generalmente negativo (ψm <0) (l’acqua del suolo è sotto

tensione) tranne che nei suoli saturi di acqua, in cui ψm = 0 MPa. Suoli aridi possono raggiungere –3 MPa

Il Ψw delle piante deve essere più negativo del Ψw del suolo, altrimenti il suolo estrarrebbe acqua dalla

pianta

Come fanno le piante nei suoli aridi ad ottenere Ψw sufficientemente bassi?

Abbassano i valori del Ψs, accumulando gli ioni nel vacuolo e bilanciando l’osmolarità del citosol con soluti

biocompatili (prolina, betaine).

Piante con bassi Ψs (-2.5 Mpa!) :

1. Alofite

2. Piante che accumulano grandi concentrazioni di zuccheri (es: barbabietola da zucchero, canna da

zucchero).

Il movimento dell’acqua nel suolo avviene per flusso di massa portato principalmente dal gradiente di

pressione. L’assorbimento dell’acqua dal suolo da parte delle radici

determina una carenza di acqua in prossimità della superficie delle

radici, quindi un abbassamento del Ψ p che richiama acqua dalle

zone vicine

Lp: conduttività idraulica

La conduttività idraulica del suolo misura la facilità con la quale l’acqua si muove attraverso il suolo. Più

elevata in suoli sabbiosi rispetto a quelli argillosi

Il contenuto idrico del suolo influisce sulla conduttività idraulica

Punto permanente di appassimento: punto al quale il ψ w del suolo è cosi basso che le piante non possono

più ripristinare la pressione di turgore, anche di notte quando cessa la traspirazione. Dipende dalla specie

STOMI Gli stomi sono costituiti da due cellule di guardia che regolano

apertura rima stomatica aprendosi e chiudendosi, circondate

spesso da due cellule sussidiarie che aiutano a controllare le

aperture stomatiche.

La CO2 passa nella camera sottostomatica dove si ha saturazione di

vapore per lo scambio

Paradosso dei pori: anche se le aperture rapppresentate dagli

stomi costituiscono circa l’1% della superficie totale, l’evaporazione

può arrivare fino al 50 % di quella che si avrebbe attraverso una

superficie libera

Due tipi principali di cellule di guardia:

-Reniformi e sussidiarie assenti Dicotiledoni, molte monocotiledoni

Pareti dorsali (in contatto con cellule epidermiche) SOTTILI

Pareti ventrali (che guardano la rima) ISPESSITE

-Manubrio con estremità bulbosa Graminaceae (e Palme)

Per aprirsi e chiudersi lo stoma usa la pressione di

turgore delle cellule di guardia:

piu’ si gonfiano piu’ si allontanano (rima piu’ grande)

piu’ si sgonfiano piu’ si avvicinano (rima piu’ piccola)

In entrambi i tipi di cellule di guardia, l'orientazione

delle microfibrille di cellulosa controlla il

cambiamento della forma cellulare quando si verifica

il rigonfiamento per assunzione di acqua.

Le microfibrille sono disposte radialmente

(micellazione radiale)

Per cambiare la pressione di turgore occorre cambiare la quantità d’acqua in entrata, per fare ciò aumenta

soluti (entrata K+) tramite canali voltaggio dipendenti (cambiamento potenziale della membrana) che viene

innescato. Aumentando K+ P.O. diventa piu’ negativa, attirando acqua dall’esterno, perciò la cellula si

gonfia e gli stomi si aprono

Abbassamento di Ψs delle cellule di guardia (-1.9 MPa chiusi e -3.5 MPa aperti)

AUMENTA CONCENTRAZIONE IN GUARDIA

DIMINUISCE CONCENTRAZIONE IN EPIDER.

APERTURA STOMI

Abbassamento di Ψs delle cellule di guardia

è dovuto all’ attivazione della H+-ATPasi del

plasmalemma (membrana iperpolarizzata)

che provoca:

Influsso di K+ attraverso i canali valtaggio-

dipendenti. (rettificatori di entrata perché

gli ioni K+ sono portati all’interno della

cellula).

Assorbimento di Cl-

Produzione di acido malico (che rifornisce

anche di H+) per degradazione dell’amido

Fattori che influenzano apertura stomatica (STRESS IDRICO):

-Concentrazione intercellulare di CO2: elevata concentrazione determina la chiusura

-Intensità e qualità della luce: la luce blu stimola l'apertura degli stomi (recettore della luce blu). Anche la

luce rossa (attraverso la fotosintesi e quindi il consumo di CO2)

-Umidità (relativa): quando il contenuto di vapor d'acqua delle foglie è troppo basso si chiudono.

CHIUSURA STOMI

Se gli stomi vengono chiusi, non viene persa acqua ma non può avvenire entrata CO2 e quindi no

fotosintesi: ecco perché sono chiusi DI NOTTE

Innalzamento del potenziale osmotico (e idrico)

Perdita di acqua

Abbassamento del potenziale di pressione ( e del turgore)

Azione di regolazione da parte dell’acido abscissico (ABA)

viene prodotto quando c’è stress idrico, se prodotto induce chiusura stomi

TRASPORTO MEMBRANA

Movimento dei soluti attraverso membrana plasmatica

Diffusione semplice

Il movimento è secondo gradiente di concentrazione (alta → bassa) (“down hill”, in discesa), e non viene

spesa alcuna energia metabolica Con membrane artificiali, la permeabilità dipende dalla natura chimica del

soluto (e dalla composizione della membrana)

Una membrana artificiale composta da fosfolipidi e’ permeabile a gas (O 2

and CO 2), e piccole molecole polari non cariche come urea e etanolo.

Non è permeabile a molecole cariche (elettroliti).

DIFFUSIONE SEMPLICE: Soluti apolari e polari ma di piccole dimensioni.

Molecole cariche NON diffondono attraverso le membrane

ECCEZIONI Le membrane biologiche si

comportano in modo differente dalle membrane

artificiali

(K+, Na+, Cl- sono molto piu’ permeabili in quella

biologica che in quella artificiale, anche se non

passano attraverso doppi strati lipidi)

Per questo sono presenti

PROTEINE CANALE, che permettono un passaggio

PASSIVO secondo gradiente di questi ioni

FLIP FLOP con cambiamento conformazione al

legarsi della sostanza, con un sito specifico che la

riconosce

POMPE per il trasporto ATTIVO contro gradiente

usando ATP

Quando ioni di carica opposta diffondono con velocità differenti (PER PERMEABILITA’ DIVERSA DELLA

MEMBRANA) attraverso una membrana cellulare si sviluppa un POTENZIALE DI DIFFUSIONE

La diffusione avviene indipendentemente per ogni ione

secondo il rispettivo gradiente elettrochimico

Questa membrana di per sé è impermeabile a quegli

ioni, servono delle pompe specifiche

Se due soluzioni vengono separate da una membrana

biologica, la diffusione è complicata dal fatto che gli ioni

devono muoversi attraverso la membrana

La misura in cui una membrana permette il movimento

di una sostanza è definita permeabilità di membrana

(che può essere espressa in relazione a un coefficiente

di diffusione)

In generale, la membrana abbassa il grado di diffusione

e così riduce la velocità tramite la quale viene raggiunto

l’equilibrio. Per ogni dato soluto, la permeabilità o la

resistenza della stessa membrana non sono comunque in grado di alterare le condizioni di equilibrio, che è

raggiunto quando ∆µi=0

Quando dei Sali diffondono attraverso una membrana, si può sviluppare un potenziale elettrico di

membrana (voltaggio)

La conseguenza di questa differente permeabilità è che il K+ e il Cl- inizieranno a diffondere attraverso la

membrana a velocitò diverse. Il risultato sarà una debole separazione di cariche che genera un potenziale

elettrico attraverso la membrana. Nei sistemi biologici, le membrane sono di solito piu’ permeabili al K+ che

al Cl-. Quindi il K+ diffonderà piu’ velocemente fuori dalla cellula rispetto al Cl-, causando nella cellula lo

sviluppo di una carica elettrica negativa. Il potenziale di membrana che si forma a seguito della diffusione è

detto POTENZIALE DI DIFFUSIONE.

L’elettroneutralità viene conservata perché mano a mano che il K+ precede il Cl- nella membrana, il

potenziale di diffusione che ne risulta ritarda il movimento del K+ e accelera quello del Cl-. Alla fine

entrambi gli ioni si muovono con la stessa velocità, ma il potenziale di diffusione permane (ci sono sempre

piu’ K+ a destra e quindi carica positiva) fino a quando si raggiunge l’equilibrio chimico, concentrazioni

uguali (e quindi carica neutra) il potenziale di diffusione diventa uguale a 0

Poiché la membrana è permeabile sia a K+ che a Cl-, l’equilibrio si raggiunge fino a quando il gradiente di

concentrazione scende a 0.

Se invece la membrana fosse permeabile solo a K+ (anche se nella soluzione c’è comunque Cl-) sarà

impossibile avere un gradiente di concentrazione uguale a 0, e la diffusione permane fino a quando il

potenziale di diffusione (dato dal passaggio di K+ a destra che rende sinistra negativa e destra positiva) non

bilancia completamente il gradiente di concentrazione. Quindi si avrebbe un equilibrio anche con

concentrazioni diverse.

Quando si raggiunge un equilibrio, il flusso J (quantità di soluto che attraversa sostanza in unità di tempo) è

uguale in entrambe le direzioni, da esterno a interno e da interno a esterno:

Jext-int = Jint-ext i flussi sono proporzionali al ∆µ, che quindi sarà anch’esso uguale a 0 all’equilibrio

potenziali elettrochimici per ogni ione (tipo K+)

POTENZIALE DI NERNST

Stabilisce che all’equilibrio la differenza di concentrazione di uno ione fra due scomparti è bilanciata dalla

differenza di voltaggio fra gli scomparti

Può essere semplificata per uno ione monovalente (es K+) a 25 gradi

Una differenza di concentrazione di 10 volte corrisponde a

mV un potenziale di Nernst di 59mV. Ovvero un potenziale di

membrana di 59mV manterrebbe un gradiente di

concentrazione di 10 volte di uno ione. Allo stesso modo, se

esistesse un gradiente di concentrazione di 10 volte per uno

ione attraverso la membrana, la diffusione passiva di quel

dato ione attraverso la membrana porta a un Potenziale di

diffusione di 59mV

Potenziale creato da diffusione passiva

Concentrazione mantenuta da potenziale presente

EQUAZIONE DI GOLDMAN: versione modificata dell’equazione di Nernst, comprende tutti gli ioni

permeanti, dà un valore piu’ accurato del potenziale di diffusione nelle cellule

Mette in relazione i gradienti ionici esistenti

a cavallo di una membrana con il potenziale

di diffusione che si sviluppa

es. Tessuti immersi in soluzione nota

Ca+2(out): 1mM DPE: -110mV Ca+2(int)=? Z=+2 (è la carica)

Secondo la formula 10^3,73=5730mM

So4^-2(out)=0,25mM DPE:-110mv (int)=?

Secondo la formula

Per la misura del DPE (Vm) si usano due elettrodi uno all’interno del plasma cellulare, l’altro in una

soluzione salina nota presa come riferimento

L’equazione di Nernst può essere usata per determinare se un dato ione è all’equilibrio attraverso una

membrana.

L’equazione di Nernst può essere utilizzata per distinguere il trasporto passivo da quello attivo (contro

gradiente)

Ciascuno ione in soluzione ha il proprio potenziale di Nernst, dato dall’equazione di Nernst. In generale, si

osserva che il potenziale di Nernst di un dato ione può essere diverso dal potenziale di membrana.

Solo quegli ioni per i quali il potenziale di Nernst eguaglia il potenziale di membrana sono all’equilibrio.

Altrimenti, se ci sono canali per cui possono passare tali ioni, essi tendono ad entrare o ad uscire.

Alternativamente, se il pot di membrana è noto, l’equazione di Nernst specifica il rapporto di attività per il

quale lo ione è all’equilibrio

MOVIMENTO SOLUTI ATTRAVERSO MEMBRANE

DIFFUSIONE SEMPLICE: Secondo gradiente di potenziale (down hill, discesa)

Soluti apolari e polari ma di piccole dimensioni. NO MOLECOLE CARICHE

Le molecole cariche non passano tramite membrane ma con canali sì

DIFF FACILITATA: Secondo gradiente di potenziale (down hill, discesa)

Richiede presenza di barriere alla diffusione e sistemi di trasporto specifici (carrier)

Soluti apolari, polari, carichi

TRASPORTO ATTIVO: Contro gradiente di potenziale (“up hill” in salita)

Soluti polari e carichi.

Richiede la presenza di barriere alla diffusione e sistemi di trasporto specifici

(pompe o trasportatori)

CANALI

Mediano diffusione semplice, ma regolata, di molecole, principalmente ioni

Sono proteine integrali di membrana

formati da diverse subunità che circondano

un poro che permette il passaggio

SELETTIVO di ioni.

Il Sodio (1,96armstrong) è monovalente, rispetto al Potassio (2,66armstrong)

le molecole di acqua si avvicinano di piu’ (legge di coloumb)

CANALE DESOLVATANTE:

Tramite carica sulla membrana toglie nube di molecole d’acqua (come es)

CANALE NON DESOVATANTE:

Non presenta cariche, il diametro del canale è giusto per far entrare anche nube

TRASPORTATORI (carrier)

mediano

- la diffusione facilitata di molecole (uniportatori)

- il trasporto attivo secondario (simportatori e antiportatori)

DIFFUSIONE FACILITATA

Rientra nei trasporti mediati ma è comunque passivo

SECONDO GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE tramite UNIPORTATORI (carriers?)

I carriers sono molecole con una tasca che permette il legame con una molecola specifica

-soggetti a saturazione (riempimento)

-possono essere bloccati da inibitori competitivi

-elevata dipendenza termica e da pH

Hanno caratteristiche da enzimi e come enzimi presentano un sito attivo

Es. FLIP FLOP (si muove secondo gradiente di concentrazione)

I flussi mediati da carriers a differenza della diffusione libera sono SATURANTI (Km – coeff di affinità

specifico per una molecola – minore è esso, maggiore è l’affinità di una molecola al trasportatore) A

seconda dell’affinità, questa molecola può entrare a seconda della concentrazione esterna (Per esempio nel

pancreas km è molto alta perché devono percepire le grandi variazioni per produrre insulina)

La velocità di diffusione facilitata ha velocità molto

maggiore rispetto alla diffusione semplice,

aumenta in modo logaritmico con la

concentrazione esterna (diffusione verso l’interno)

fino a un limite (Vmax). La diffusione semplice

aumenta in modo diverso, e la velocità è molto

minore

Il primo carrier ha una km piu’ bassa, cioè si attiva a conc.

piu’ basse ma si satura a concentrazioni basse

Il secondo carrier ha km piu’ alta, cioè si attiva a conc.

piu’ alte ma si satura a conc. Molto molto piu’ alte

Ma il secondo carrier trasporta molta piu’ quantità del

primo, ecco perché lavora a concentrazioni piu’ alte

TRASPORTO ATTIVO

Quello che consuma energia, nel primario è energia sotto forma di ATP che viene idrolizzato

Contro gradiente (up hill)

PRIMARIO

Accoppia il trasporto contro gradiente con l’idrolisi di una molecola ad alta energia (di solito ATP) tramite

un’enzima specifico

Mediato da POMPE IONICHE:

-UNIPARTE (possono portare uno o due ioni)

-BIPARTE

Non è detto che sia un solo lo ione a passare, può essere spinto uno ione da una parte e uno dall’altra,

entrambi contro gradiente (es. pompa Na+ K+, 2K+ per 3Na+, crea anche differenza di carica)

-ELETTROGENE

Movimento netto di carica attraverso la membrana

H+-ATPasi della p.m. (usa ATP per far entrare H+, acidità stomaco)

(V-ATPasi)

H+-PPasi

-ELETTRONEUTRE

Non coinvolge movimento netto di carica attraverso la membrana

H+/K+-ATPasi (mucosa gastrica, per produrre succo gastrico)

TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO

Trasporto di soluti attraverso la membrana contro il loro gradiente di potenziale elettrochimico (in salita).

E’ reso possibile dall’accoppiamento con il trasporto in discesa di un altro soluto

Non utilizza ATP ma sfrutta in modo secondario, ovvero gradienti creati da trasportatori primari.

Esiste uno ione motore che si sposta secondo il suo gradiente, nel frattempo ne porta uno contro

gradiente, molecola da trasportare -SIMPORTO

-ANTIPORTO

Nelle piante la forza motrice protonica (PMF) o (Δp), generata

dal trasporto elettrogenico dell’H+, e’ utilizzata per il trasporto

di altre sostanze contro i loro gradienti elettrochimici

Quindi lo ione motore in questo caso è l’H+

SIMPORTO GLUCOSIO/PROTONE

Si sfrutta il gradiente che tende a portare i protoni

verso l’interno della cellula per portare anche il

glucosio

L’entrata dell’H+ genera una depolarizzazione

nella membrana, che poi torna normale nel tempo

VELOCITA’ DI TRASPORTO

-Trasporto attivo primario tramite POMPA: 10^0 10^3 ioni/s

-Diffusione semplice tramite canale ionico: 10^7 10^8 ioni/s

-Carrier: 10^2 10^4 molecole/s

Molti canali e trasportatori sono presenti non solo sulla membrana plasmatica ma anche nel vacuolo per

mantenere una concentrazione di ioni e un pH (H+) diversa da quella della citoplasma. Molti sfruttano il

gradiente di H+ per trasportare secondariamente altri ioni dentro il vacuolo. Poi ci sono le pompe H+ che

portano dentro gli H+.

POTENZIALE DI MEMBRANA

Differenza di potenziale elettrico (DPE) tra due soluzioni separate da una membrana (spesso indicato come

V m).

Riflette il disequilibrio nel numero di anioni e cationi tra le due soluzioni.

V m nelle cellule vegetali circa -150 mV: Dovuto ad un eccesso molto piccolo di cariche negative nel citosol

(un anione ogni 100.000, adiacente alla membrana plasmatica. Non c’è sbilanciamento di carica in gran

parte della cellula).

Un cambio nel potenziale di membrana si genera con il movimento asimmetrico di pochissimi ioni (es H+

dentro cellula nel simporto con il glucosio)

Il cianuro inibisce i mitocondri e quindi produzione ATP. Si è visto che aggiungendo cianuro il potenziale di

membrana crolla (DEPOLARIZZAZIONE). Ciò indica che c’è bisogno di ATP per mantenere il potenziale di

membrana al valore tipico (questo perché serve per trasporto attivo contro gradiente)

NUTRIZIONE MINERALE

Elemento essenziale: elemento la cui assenza impedisce il completamento del ciclo biologico di una pianta

- Macronutrienti: richiesti in notevole quantita’ per la crescita della pianta

Ca K Si S N P Mg

- Micronutrienti: elementi richiesti in tracce o piccole quantita’ per la crescita della pianta

Na Ni Cu Cl Fe Zn B

-Ottenuti da suolo

-Ottenuti da H2O o CO2 (O, C, H)

Basati sulla presenza di tali elementi nella sostanza secca

Per capire quali sono quali si fa COLTURA IDROPONICA, cambio concentrazione di nutrienti nel terreno

sotto pianta e vedo cosa cambia DEFICIENZA

-K: foglie floscie

-P: colore piu’ scuro

-Ca: foglie si accartocciano (come quelle che prendi)

-Mg: arricciamento foglie

Carenza di elementi mobili provoca sintomi principalmente nelle foglie inferiori più adulte

(perché lo xilema porta subito alle foglie piu’ giovani, semmai poi foglie vecchie che ne risentono)

N, K, Mg, P, Cl, Zn

Carenza di elementi immobili spesso provoca sintomi nelle foglie più giovani