Appunti di Fisiologia Vegetale (prof.ssa Gonnelli)

Fisiologia vegetale

La scienza che studia il funzionamento dei sistemi biologici vegetali e ciò che si verifica al loro interno, rendendone possibile la vita.

La vita è un fenomeno dinamico che consuma energia, e tutti gli organismi, per vivere, crescere e riprodursi, devono approvvigionarsi di sostanze che soddisfino questa esigenza.

Ma cos’è una pianta? È un organismo pluricellulare (cellule eucariotiche e con parete), immobile, con alternanza di generazioni (sporofito e gametofito) e soprattutto autotrofo.

Struttura e funzione della pianta sono in relazione con l’autotrofia: cioè sono perfettamente integrate per permettere una sopravvivenza svincolata dalle risorse energetiche terrestri!

N.B. La pianta si procura energia tramite le foglie e le radici…

La cellula vegetale

Ha in comune con le cellule animali:

• Membrana plasmatica (plasmalemma): permette alla cellula di assorbire e trattenere alcune sostanze e nello stesso tempo di escluderne altre (permeabilità selettiva). Le membrane delimitano anche i confini di organuli specializzati e regolano i flussi di metabolici dentro e fuori tali compartimenti.

Tutte le membrane sono fatte di un doppio strato di fosfolipidi nel quale sono incluse le proteine. La composizione dei fosfolipidi e le proprietà delle proteine variano da una membrana all’altra conferendo a ognuna una tipica caratteristica funzionale.

I fosfolipidi hanno una testa idrofila e una coda idrofoba. Caratteristica importantissima!

Le membrane dei plastidi, al posto dei fosfolipidi, hanno i glicosilgliceridi (privi di gruppo fosfato). La coda idrofoba è costituita da 2 catene di acidi grassi, di cui solitamente uno è saturo e l’altro no. Gli acidi insaturi hanno doppi legami che conferiscono fluidità. Le piante devono mantenere questa fluidità molto più degli altri organismi: i loro fosfolipidi sono più ricchi di acidi insaturi!

Associate al doppio strato lipidico:

• Proteine integrali (si estendono attraverso l’intero spessore della membrana);
• Proteine periferiche (sono attaccate alla superficie della membrana con legami non covalenti).

Funzioni delle membrane biologiche

Grazie alle loro proprietà, le membrane delimitano le cellule e garantiscono la loro compartimentazione, condizione indispensabile per il mantenimento di ambienti stabili dal punto di vista chimico-fisico in cui delicati processi biochimici possono svolgersi senza interferenze. La natura idrofobica del doppio strato lipidico delle membrane biologiche rappresenta una barriera che limita il trasferimento indiscriminato di soluti sia verso l’interno che verso l’esterno della cellula o dei suoi comparti.

Tipi di membrane presenti nelle cellule vegetali

• Membrana plasmatica (plasmalemma)
• Membrana dei perossisomi
• Membrana nucleare
• Membrana dei gliossisomi
• Reticolo endoplasmatico
• Involucro del cloroplasto (interno + esterno)
• Cisterne del Golgi
• Membrane dei tilacoidi
• Tonoplasto
• Membrane del mitocondrio (int + est).

• Nucleo: contiene il materiale genetico. La membrana nucleare è doppia e fra uno strato e l’altro c’è lo spazio perinucleare. I punti di fusione sono detti pori nucleari. Nel nucleo c’è anche il nucleolo, la sede della sintesi dei ribosomi.
• Mitocondri: respirazione cellulare.
• Reticolo endoplasmatico: elaborato intreccio di membrane interne, in continuità con il plasmalemma. Formato da elementi tubulari e da cisterne appiattite, serve da rete di collegamento tra le varie membrane interne della cellula.

Rugoso = ha ribosomi attaccati alla superficie della membrana. Sintetizza le proteine di membrana e quelle che devono essere trasportate fuori dalla cellula. Regola il trasporto attraverso la membrana.

Liscio = modifica le proteine sintetizzate sul RER e le spedisce all’apparato del Golgi. Il suo ruolo primario è comunque la sintesi dei lipidi.

• Apparato del Golgi: sistema di cisterne appiattite (o sacculi), raggruppate in dittiosomi. I sacculi sono strettamente associati gli uni agli altri. È una struttura polarizzata: le cisterne più vicine al plasmalemma sono la parte trans, quelle più vicine al centro della cellula sono la parte cis, quelle nel mezzo la parte mediana.

Nell’apparato del Golgi vengono immagazzinate le proteine prodotte nel RER, vengono modificate nella loro composizione chimica e poi impacchettate in una forma condensata all’interno di vescicole: sono così isolate dal citosol e possono essere mandate all’esterno della cellula. In generale comunque il Golgi è come una fabbrica di carboidrati, perché le proteine vengono rielaborate in modo da produrre saccaridi sia semplici che complessi!

Nelle cellule vegetali il Golgi ha un ruolo nella formazione della parete cellulare. Emicellulose, pectine ed estensina vengono sintetizzati all’interno dell’apparato del Golgi.

• Citoscheletro: intreccio tridimensionale di proteine fibrose. Serve da sostegno alla cellula, fornisce organizzazione spaziale agli organuli e permette il loro spostamento attraverso il citosol. È costituito da 3 tipi di elementi: microtubuli, filamenti intermedi e microfilamenti.

Microtubuli = costituiti da tubulina, che si dispone in 13 catene lasciando una cavità centrale.

Microfilamenti = formati dalla proteina globulare actina, che forma 2 lunghe catene intrecciate.

Filamenti intermedi = formati da proteine fibrose della famiglia delle cheratine, che quando si associano formano strutture simili a cordoncini, sottili ma resistenti.

Caratteristiche peculiari delle cellule vegetali

• Parete cellulare formata da polisaccaridi (pectine, emicellulosa, cellulosa) e da proteine (estensina e altre).
• Plasmodesmi: estensioni tubulari della membrana plasmatica che attraversano la parete cellulare collegando i citoplasmi di cellule adiacenti. Molte cellule sono collegate fra loro in questo modo, rappresentando un continuum detto simplasto, e il trasporto di soluti attraverso le cellule, che utilizza i plasmodesmi, è detto trasporto simplastico.

Ogni plasmodesma è formato da un tubulo di ER (reticolo endoplasmatico) in continuità con l’ER della cellula adiacente: il simplasto unisce, oltre al citosol, anche il contenuto del lume dell’ER delle cellule!

• Vacuolo: le cellule vegetali mature contengono un unico grande vacuolo pieno d’acqua, 80 - 90% del volume cellulare. Ogni vacuolo è circondato da una membrana detta tonoplasto. Nell’acqua vacuolare sono disciolti vari soluti: ioni, acidi inorganici, zucchero, enzimi e molti metaboliti secondari.

Nei semi sono abbondanti vacuoli specializzati nell’accumulo di proteine (i corpi proteici).

• Cloroplasti: sono i plastidi che contengono la clorofilla e le proteine ad essa associate, sono delimitati da una membrana doppia e sono la sede della fotosintesi. All’interno hanno un altro sistema di membrane, i tilacoidi. Le proteine ed i pigmenti si trovano sulla superficie della membrana tilacoidale. L’impilamento di tilacoidi forma un granum. Lo scomparto fluido è detto stroma.

Oltre ai cloroplasti ci sono: leucoplasti (bianchi, con funzione di riserva) e cromoplasti (colorati, con pigmenti vari).

Trasporto attraverso la membrana

Diffusione = processo tramite il quale molecole o ioni in soluzione, a causa della loro agitazione termica, collidono scambiandosi energia cinetica e quindi si muovono casualmente da una zona a più alta energia libera a una zona a più bassa energia libera.

Le molecole quindi si spostano da zone ad alta concentrazione a zone a bassa concentrazione: il gradiente energetico è diretta conseguenza del gradiente di concentrazione!

La diffusione segue la legge di Fick:

J_s = −D · δc_s / δx

Il segno negativo indica che il flusso tramite diffusione è spontaneo.

J_s = velocità di trasporto del soluto, cioè la quantità di sostanza che attraversa un’unità di area nell’unità di tempo (= mol · m^-2 · s^-1).

D = coefficiente di diffusione = misura la facilità con cui la sostanza è in grado di muoversi in un particolare mezzo.

δc_s / δx = gradiente di concentrazione, cioè la differenza di concentrazione di s, approssimato come Δc_s / Δx fra due punti separati dalla distanza Δx.

Una sostanza diffonde più velocemente quando aumenta il gradiente di concentrazione o quando aumenta il coefficiente di diffusione. Il movimento di molecole per diffusione è un trasporto passivo.

Quando invece una sostanza deve muoversi contro gradiente, si parla di:

Trasporto attivo = non è spontaneo e può essere effettuato solo se al sistema viene applicata energia (idrolisi dell’ATP).

L’input energetico necessario perché una sostanza sia spostata contro gradiente può essere calcolato conoscendo il potenziale chimico di questa sostanza e la differenza di potenziale che si genera (Δμ_s).

Potenziale chimico

Potenziale chimico di un soluto = tutte le fonti di energia potenziale che, oltre al gradiente di concentrazione, permettono il trasporto (gravità, pressione idrostatica, campi elettrici).

Il potenziale chimico di una molecola neutra all’interno della cellula è:

μ_s = μ⁰_s + RT ln C_s + VP_s

μ⁰_s = potenziale chimico in condizioni standard.

C_s = concentrazione del soluto.

VP_s = componente della pressione idrostatica.

Il potenziale chimico della stessa molecola all’esterno è:

μ_s = μ⁰_s + RT ln C_s

Δμ_s = μ_i − μ_e e questa differenza di potenziale chimico rappresenta il contributo di un soluto alla variazione di energia libera (ΔG) del sistema; inoltre il potenziale chimico è importante perché somma tutte le forze che possono agire su una molecola e che portano al trasporto netto.

Se Δμ_s è negativo si ha diffusione spontanea (trasporto passivo).

Se Δμ_s è positivo il sistema deve essere rifornito dell’energia necessaria a vincere il gradiente di concentrazione (trasporto attivo).

Se il soluto è uno ione, per determinare il potenziale chimico, si deve mettere nell’equazione anche il valore della sua componente elettrica:

μ_s = μ⁰_s + RT ln C_s + VP_s + zFE

z = carica dello ione. F = costante di Faraday. E = potenziale elettrico.

Quando la distribuzione di un soluto attraverso la membrana raggiunge l’equilibrio, i flussi del soluto interno-esterno e viceversa si equivalgono:

J_i = J_e → μ_i = μ_e → Δμ_s = 0

Per ogni ione, all’equilibrio, si ha che:

μ⁰_s + RT ln C_e + zFE_e = μ⁰_s + RT ln C_i + zFE_i

E risolvendo si ottiene:

ΔE = E_i − E_e = −RT / zF · ln C_i / C_e

Potenziale di Nernst

L’energia libera del sistema è dipendente sia dalla concentrazione che dalla carica, perciò per avere all’esterno della cellula un’energia maggiore, è necessario che fuori ci siano anche molte cariche positive, così il potenziale di Nernst è maggiore all’esterno; la concentrazione è maggiore all’esterno, il gradiente è tutto in discesa e il trasporto verso l’interno della cellula è molto più facile!

ΔE = RT / zF · ln C_i / C_e = 2,3 RT / zF · log C_i / C_e = 59 / z · log C_i / C_e

L’equazione di Nernst fa capire che all’equilibrio, la distribuzione diseguale di ioni tra interno ed esterno di una cellula, è bilanciata da una differenza di potenziale elettrico (o potenziale di diffusione) transmembrana, indicato anche come ΔE.

Si genera un potenziale più negativo all’interno della cellula, alla cui formazione contribuisce solo in parte il potenziale di Donnan (= potenziale di diffusione che si genera appunto per diffusione passiva).

Però solo la concentrazione di K⁺ misurata con l’equazione di Nernst corrisponde a quella osservata sperimentalmente: la concentrazione di molti ioni è subordinata ad un controllo selettivo più rigido!

Inoltre la situazione è ulteriormente complicata dalla presenza di compartimenti cellulari e degli equilibri che si instaurano fra questi. Più completa di quella di Nernst è l’equazione di Goldman. Essa mette in relazione i gradienti ionici transmembrana degli elementi presenti a maggior concentrazione nelle cellule, con il potenziale di diffusione che si sviluppa.

Tuttavia anche questa equazione non riporta i dati osservati sperimentalmente, perché tra i 2 lati della membrana c’è una iperpolarizzazione dovuta all’eccesso di cariche positive all’esterno della cellula. Infatti ogni volta che uno ione si sposta dentro o fuori della cellula senza essere controbilanciato dal movimento di uno ione di carica opposta, attraverso la membrana si genera un voltaggio! La differenza di voltaggio viene mantenuta consumando energia, spesso fornita dall’idrolisi dell’ATP.

Ogni meccanismo che sposta una carica elettrica senza che sia controbilanciata viene detto pompa elettrogenica. Le pompe elettroneutre non coinvolgono spostamento di carica.

Nelle cellule vegetali il potenziale di membrana viene mantenuto negativo grazie a pompe protoniche conosciute come ATPasi, che mandano fuori dalla membrana ioni H⁺.

È la traslocazione attiva di cariche positive all’esterno che genera l’iperpolarizzazione, che rappresenta una delle cause del trasporto ionico: così le cariche positive diffondono nell’interno e le negative all’esterno.

L’idrolisi di ATP genera il gradiente di energia libera che permette il trasporto. ATP = è come una forma di scambio dell’energia nei sistemi biologici. Il principale ione pompato elettrogenicamente è lo ione H⁺. Il gradiente di H⁺ è la forza motrice protonica (PMF o Δp) e rappresenta la forma di energia libera che permette il trasporto attivo secondario di numerose altre sostanze contro i loro gradienti elettrochimici. È la misura dell’energia libera accumulata in una differenza di potenziale elettrochimico transmembrana di protoni.

Δμ_H+ = μ_i − μ_e

La PMF può essere espressa anche in unità di potenziale elettrico:

ΔG = Δμ_H+ = RT ln [H⁺]_i / [H⁺]_e + FΔE

Quindi:

ΔG = Δμ_H+ = 2,3RT log [H⁺]_i / [H⁺]_e + FΔE

Energia libera = forza motrice protonica.

Misurato in potenziale elettrico:

Δμ_H+ / F = (RT / F) · 2,3 log [H⁺]_i / [H⁺]_e + ΔE

Poiché: log [H⁺]_i − log [H⁺]_e = −ΔpH_i-e

E poiché: PMF = ΔE − 2,3 RT / F · ΔpH_i-e

PMF = ΔE − 59 ΔpH_i-e

Permeabilità delle membrane biologiche

La capacità di una molecola di permeare la membrana plasmatica di cellule vegetali, grazie agli esperimenti di Collander, fu correlata con il suo coefficiente di ripartizione in un sistema bifasico olio-acqua.

C’è una relazione lineare positiva tra lipofilia di una molecola non carica e la sua permeabilità. Questa proprietà, tuttavia, non è in grado di rendere conto della permeabilità all’acqua e delle notevoli differenze nella distribuzione di ioni e molecole organiche che si verificano tra l’ambiente esterno e l’interno delle cellule e tra i vari organuli cellulari.

La permeabilità delle membrane biologiche è selettiva ed è definita da sistemi di trasporto costituiti da proteine integrali di membrana.

Il trasporto transmembrana di molecole o ioni richiede l’uso di specifiche proteine di membrana:

• Canali: pori selettivi. L’ampiezza del poro e la densità di cariche della superficie allineate al suo interno determinano la specificità di trasporto. I canali non sono sempre aperti; possiedono come dei “cancelli” che aprono e chiudono il poro in risposta a segnali esterni (trasporto passivo).
• Carriers: hanno un sito attivo a cui si lega la sostanza da trasportare. Il legame porta a un cambiamento di forma della proteina, che quindi espone la sostanza dalla parte opposta della membrana, che si stacca dalla proteina. (Trasporto passivo detto diffusione facilitata).
• Pompe: le proteine responsabili del trasporto attivo primario.

Modello ipotetico di cotrasporto

Il processo è permesso grazie all’energia accumulata dal gradiente protonico prodotto per mezzo delle pompe ATPasi.

A. La proteina nella sua conformazione