Appunti di Fisiologia vegetale

Potenziale chimico e potenziale elettrico

Come già detto, il potenziale chimico µ è una quantità relativa e dipende da:

• natura del composto;
• concentrazione;
• pressione;
• gravità;
• potenziale elettrico, esprime l'effetto del campo elettrico presente nella soluzione, è uguale a: z ⋅ F ⋅ E, dove z è la valenza con segno, F è la costante di Faraday (96500 Coulomb/mole; Coulomb = J/Volt), mentre E è il potenziale totale della soluzione rispetto a terra (Volt).

Pertanto: μ = μ * + RTln[ S ] per un anaelettrolita, S:

• s s +μ * + RTln[ S ]+ z ⋅ F ⋅ E per uno ione, S :
• + s

Per il trasporto di S da interno (i) a esterno (e) della cellula attraverso la membrana plasmatica Δμ = μ − μ = ( μ * + RTln [S ]) − ( μ * + RTln [S ]) = RTln [S ] − RTln [S ] = RTln ([S ]/[S ]) Se Si s e s i e i e i[S ] > [S ] Δµ negativo, reazione termodinamicamente favorita con ;- i e[S ] < [S ]

Uno ione si parla di potenziale elettrochimico. Δμ = 0. Da si ricava il potenziale di equilibrio elettrochimico o potenziale di Nernst di un dato z ione, I (catione/anione, valore assoluto di ΔE). ΔE (E - E ) = (RT/z F ) × ln ( [I ]/ I[ ])i e e i. Questa relazione, nota come equazione di Nernst, stabilisce che all'equilibrio la differenza di concentrazione di uno ione tra due compartimenti è bilanciata dalla differenza di potenziale.

• Δμ negativo: il trasporto è passivo;
• Δμ positivo: il trasporto è attivo.

- Trasporto primario, ricava energia da una reazione biochimica (es. idrolisi ATP)

- Trasporto secondario, il trasporto contro gradiente è accoppiato al trasporto secondo gradiente di un'altra sostanza; si parla di cotrasporto: simporto nella stessa direzione, antiporto in direzioni opposte.

Applicazione dell'equazione di Nernst ΔE (E - E ) = (RT/z F ) × ln ( [I ]/ I[ ])i e

E può essere usata per determinare se un dato ione I è distribuito passivamente secondo il proprio gradiente elettrochimico tra due compartimenti separati da una membrana semipermeabile. L'uso è possibile perché nella cellula vegetale si ha una condizione di stato stazionario ( [] e ΔE costanti nel tempo) assimilabile all'equilibrio.

La tabella confronta le concentrazioni cellulari di vari ioni previste in base all'equazione e quelle effettivamente misurate in tessuti radicali di pisello.

Va tenuto presente che:

ΔE = -110 mV è stato misurato;

[I ] è nota, stabilita nell'esperimento;

± ±1 ± (RT/z F ) × 2,303 = 59 mV z = 59/n mV z = nper o per ;

- T= 298 K (25°C);

- 2,303 fattore di conversione di ln in log.

ΔE è importante per determinare gradiente elettrochimico e movimento di uno ione attraverso una membrana semipermeabile.

ΔE consta di 2

gradiente (diffusione facilitata);- + attivo contro gradiente: primario – pompa;+ secondario – cotrasportatore (simporto o antiporto).

Modello ipotetico di trasporto attivo secondario: l’entrata di H secondo gradiente di potenziale+elettrochimico (freccia rossa a destra in A) dà l’energia per assorbire S contro gradiente diconcentrazione (freccia rossa a sinistra in A).

A) nella conformazione iniziale i siti di legame della proteina sono esposti verso l’ambienteesterno e possono legare un protone;

B) si ha un cambiamento conformazionale che permette il legame di S;

C) questo legame porta a un altro cambiamento conformazionale che espone i siti di legameverso la parte interna della cellula;

D) la liberazione del protone e della molecola S all’interno della cellula ristabilisce laconfigurazione iniziale del carrier e permette l’inizio di un nuovo ciclo.

7ª Lezione di Fisiologia Vegetale, di Lorenzo Di Palma

Potenziale di membrana

Esperimento

membrane plasmatiche purificate si misura l'attività ATPasica e trasporto elettrogenico di H⁺. H⁺-ATPasi è stata purificata e caratterizzata. La Pompa H⁺-ATPasi è una pompa protonica pura: trasporta soltanto H⁺.

Compensazione di cariche 'in vivo' assicurata generalmente da entrata di K (attraverso altro sistema di trasporto).

Caratteristiche:

• singola catena polipeptidica di 100 kDa;
• funziona 'in vivo' in forma di dimero;
• codificata da una famiglia di geni (10-11 a seconda della pianta);
• diverse isoforme alcune espresse in maniera tessuto/cellula-specifica (es. endoderma radice, cellula di guardia degli stomi);
• isoforme co-espresse in stessa cellula possono essere regolate in modo differenziato o funzionare in modo ridondante (meccanismo di 'sicurezza' per garantire funzionamento di questa importante attività);
• espressione alta in cellule con funzione chiave nel trasporto dei nutrienti.

La pompa protonica

funziona soprattutto negli organi deputati al trasporto di nutrienti, come semi,floema e xilema. L'H -ATPasi è molto importante nel trasporto di acqua, nel trasporto floematico, nell'apertura di stomi e crescita per distensione.

• 10 domini transmembrana;
• N- e C-terminale e porzione con sito catalitico per idrolisi ATP tra domini transmembrana 4 e 5 sono nel citosol;
• C-terminale contiene un dominio autoinibitorio: rimozione con proteasi attiva irreversibilmente l'H -ATPasi;
• regolazione fisiologica (ormoni, luce) dovuta a proteine chinasi / fosfatasi che aggiungono/ rimuovono gruppi fosfato da residui di serina e treonina;
• fosforilazione di specifici residui all'estremità del dominio autoinibitorio recluta proteine 14-3-3, il legame determina spostamento del dominio autoinibitorio e attivazione H - ATPasi.

Vediamo il dominio autoinibitorio, AID, e le due regioni di tale dominio, R1 e R2; infine vediamo il dominio di legame con BD-14-3-3, e i

Due domini fosforilati di interazione. Qui abbiamo la proteina: la proteina inattiva presenta un dominio C-terminale che interagisce con la proteina stessa, mentre BD-14-3-3 è libera nel citosol; quando invece fosforiliamo regioni del dominio C-terminale, si recluta su queste regioni BD-14-3-3, staccando il dominio autoinibitorio, e attivando la proteina.

L'H+ATPasi può quindi poi essere desfosforilata fisiologicamente da fosfatasi, liberando BD-14-3-3 ed inibendo la proteina. La pompa protonica appartiene alla classe delle P-ATPasi: viene fosforilata durante il ciclo catalitico di idrolisi di ATP su un residuo di acido aspartico. Pertanto è inibita da vanadato (HVO₄^-).