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

immobile

di generazioni (sporofito e gametofito) e soprattutto a utotrofo.

utotrofo

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: →

• permette alla cellula di assorbire e trattenere

membrana plasmatica (plasmalemma)

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.

→

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 Iipidico 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 sui comparti.

Tipi di membrane presenti nelle cellule vegetali

Membrana plasmatica (plasmalemma) Membrana dei perossisoma

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

I punti di fusione sono detti pori nucleari. Nel nucleo

e l’altro c’è lo spazio perinucleare.

c’è anche il nucleolo, la sede della sintesi dei ribosomi.

nucleolo

• →

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 sintetizzare sul RER e le spedisce all’apparato del Golgi. Il suo

ruolo primario è cmq la sintesi dei lipidi.

• →

apparato del Golgi sistema di cisterne appiattite (o sacculi), raggruppate il 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 cell sono

trans

la parte cis, quelle nel mezzo la parte mediana.

cis

Nell’apparato del Golgi vengono immagazzinate le proteine prodotte nel RER, vengono

modificate nella loro composiz 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 cmq il Golgi è come una fabbrica di carboidrati, perché le proteine

carboidrati

vengono rielaborate in modo da produrre saccaridi sia semplici che complessi! Emicellulose,

Nelle cell vegetali il Golgi ha un ruolo nella formazione della parete cellulare.

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.

Filam. 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 cell adiacenti. Molte cellule

sono collegate fra loro in questo modo, rappresentando un continuum

simplasto

detto , e il trasporto di soluti attraverso le cellule, che utilizza

trasporto

tr

asporto simplastico .

i plasmodesmi, è detto 2

Ogni plasmodesma è formato da un tubulo di ER (ret. end.) 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 cell vegetali mature contengono un unico grande vacuolo pieno d’acqua

→ 80 - 90% del volume cellulare. Ogni vacuolo è circondato da una

tonoplasto

membrana detta . Nell’acqua vacuolare sono disciolti vari soluti:

ioni, acidi inorganici, zucchero, enzimi e molti metabolici 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.

e all’interno hanno un altro sistema di membrane, i tilacoidi,

Le proteine ed i pigmenti si

l’impilamento di tilacoidi forma un granum.

trovano sulla superficie della membrana tilacoidale. Lo scomparto fluido è

detto stroma.

Oltre ai cloroplasti ci sono: leucoplasti (bianchi, con funzione di riserva) e

(colorati, con pigmenti vari).

cromoplasti 3

TRASPORTO ATTRAVERSO LA MEMBRANA

DIFFUSIONE = processo tramite il quale molecole o ioni in soluzione, a causa della loro

collidono scambiandosi energia cinetica e quindi si muovono

agitazione termica

casualmente da una zona a più alta energia libera a una zona a più bassa en libera.

Le molecole quindi si spostano da zone ad alta concentrazione a zone a bassa

il gradiente energetico è diretta conseguenza del gradiente di

concentrazione ⇒

concentrazione!

La diffusione segue la legge di Fick:

Fick Il segno negativo

indica che il flusso

δ

c è SPONTANEO

la velocità di trasporto del soluto

= − ⋅ s

J D δ tramite diffusione è direttam prop al

s s x gradiente concentrazione del soluto

= densità di flusso s

= velocità di trasporto del soluto, cioè la quantità di sostanza che

J s mol · m · s

-2 -1 ).

attraversa un’unità di area nell’unità di tempo (

= coefficiente di diffusione = misura la facilità con cui la sostanza è in grado di

D s

muoversi in un particolare mezzo.

δ ∆

c c

=

s s

gradiente di concentrazione cioè la diff di concentraz di s

, approssimato come

δ ∆

x x ∆

( ) fra due punti separati dalla

c s ∆ .

distanza x

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

Quando invece una sostanza deve muoversi CONTRO gradiente, si parla

trasporto passivo.

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

µ

∆

che si genera ( ).

s

POTENZIALE CHIMICO di un soluto = tutte le fonti di energia potenziale che, oltre al

gradiente di concentraz, permettono il trasporto (gravità, pressione idrostatica, campi

elettrici). all’interno della cellula è:

Il potenziale chimico di una molecola NEUTRA

µ =

µ µ 0

= + + potenziale chimico in condiz standard

i 0 i

RT ln C VP s

s s s =

i concentraz soluto

C s

Componente della = componente della press idrostatica

VP

concentrazione 4

Il potenziale chimico della stessa molecola all’esterno è:

µ µ

= +

0

e e

RT ln C

s s s

µ µ µ →

∆ = −

i e questa diff di potenz chimico rappresenta il contributo di un soluto

s s s ∆

alla variazione di energia libera ( ) del sistema; inoltre il potenz

G

chimico è importante perché somma tutte le forze che possono agire su

una molecola e che portano al trasporto netto.

µ

∆

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

s

µ

∆

Se è positivo il sistema deve essere rifornito dell’energia necessaria a vincere il

s

gradiente di concentrazione (trasporto attivo).

Se il soluto è uno ione, per determinare il potenz chimico, si deve mettere nell’equazione

ione

anche il valore della sua componente elettrica:

[ ]

µ µ

= + + + z = carica dello ione

0 RT ln s VP zFE

s s F = cost di Faraday

E = potenz elettrico i flussi

Quando la distribuzione di un soluto attraverso la membrana raggiunge l’equilibrio

equilibrio

→

del soluto interno esterno e viceversa si equivalgono:

= µ µ

= µ

e i

J J ∆ = 0

→ → ⇒

⇒

e i i e s s s

Per ogni ione (all’equilibrio) si ha che:

µ µ

+ + = + +

0 e e 0 i i

ln ln

RT C zFE RT C zFE

s s s s

E risolvendo si ottiene: i

C

RT

− = = ⋅

i e s

E E ln

∆E n e

zF C s

POTENZIALE DI NERNST

L’energia libera del sistema è dipendente sia dalla concentrazione che dalla carica perciò per

avere all’esterno della cell un’energia maggiore, è necessario che fuori ci siano anche molte

cariche positive, così il potenziale di Nernst è maggiore all’esterno; la concentraz è

maggiore all’esterno il gradiente è tutto in discesa e il trasporto verso l’interno della cell

⇒

è molto più facile! 5

i i i

C C C

RT 2

,

3 RT

∆ = ⋅ = ⋅ = ⋅

s s s

E ln log 59 log

n e e e

zF zF

C C C

s s s

→

EQUAZIONE DI NERNST fa capire che all’equilibrio, la distribuzione diseguale di ioni tra

interno ed esterno di una cell, è bilanciata da una diff di potenz elettrico (o potenz di

∆ ).

diffusione) trans-membrana (indicato anche come V

E m

Si genera un potenziale più negativo all’interno della cell, alla cui formazione contribuisce

solo in parte il potenziale di Donnan (=potenz di diffusione che si genera appunto per

diffusione passiva).

Però solo la concentraz di K misurata con l’eq. di Nernst corrisponde a quella osservata

+ subordinata ad un controllo selettivo

sperimentalmente la concentraz di molti ioni è

⇒

più rigido

!

Inoltre la situazione è ulteriormente complicata dalla presenza di compartimenti cellulari e

degli equilibri che si instaurano fra questi. Essa mette il relazione i

Più completa di quella di Nernst è l’equazione

equazione di Goldman.

Goldman

gradienti ionici transmembrana degli elementi presenti a maggior concentrazione nelle

cellule, con il potenziale di diffusione che si sviluppa.

Tuttavia anche questa equaz non riporta i dati osservati sperimentalm, perché tra i 2 lati

dovuta all’eccesso di cariche positive

della membrana c’è una IPERPOLARIZZAZIONE

all’esterno della cell. Infatti ogni volta che uno ione si sposta dentro o fuori della cell senza

essere controbilanciato dal movimento di uno ione di carica opposta, attraverso la

membrana di 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.

elettrogenica

Nelle cell vegetali il potenz di membrana viene mantenuto negativo grazie a pompe

protoniche conosciute come ATPasi, che mandano fuori dalla membrana ioni H .

+

ATPasi

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 en. libera che permette il trasporto.

scambio dell’energia nei sistemi biologici. Il principale ione

ATP = è come una forma di

pompato elettrogenicamente è lo ione H . Il gradiente di H è la FORZA MOTRICE

+ +

PROTONICA (PMF

PMF o ) e rappresenta la forma di en libera che permette il trasporto

∆p

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. µ

∆ + −

H ( i e )

La PMF può essere espressa anche in unità di potenziale elettrico: F 6

Quindi: [ ]

i

+

H

µ

∆ = ∆ = + ⋅ ∆

[ ]

G RT ln F E

− + +

− −

( )

i e e

+

( . ) H ( i e )

H i e H

Energia Forza motrice

libera protonica

Misurato in potenziale elettrico:

µ

∆ ( )

RT

+ − + +

= ⋅ − + ∆

∆ = H i e

( ) i e

G H H E

2

,

3 log[ ] log[ ]

− + −

i e

( ) ( )

H i e

F F

( ) ( )

+ +

− − − = ∆

i e

Poiché: log[ H ] log[ H ] pH −

( i e )

µ

∆ RT

+ − = = ∆ − ⋅ ∆

( )

H i e

E poiché: 2

,

3 pH

PMF E −

+ − ( )

i e

( )

H i e

F F

= ∆ − ⋅ ∆

PMF E 59 pH −

+ − ( i e )

Allora ⇒ H ( i e ) 7

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

iologiche è selettiva ed è definita da sistemi di trasporto

b

costituiti da proteine integrali di membrana.

Il trasporto transmembrana di molecole o ioni richiede l’uso di specifiche PROTEINE DI

MEMBRANA:

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

esterno (TRASPORTO PASSIVO).

• →

CARRIERS hanno un sito attivo a cui si lega la sostanza da trasportare. Il legame porta

a un cambiamento di orma 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. 8

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 conformaz