Appunti Fisiologia vegetale

Scienze biologiche, unibo FM

FISIOLOGIA VEGETALE BILANCIO IDRICO

Le cellule vegetali sono tipicamente circondate dalla parete cellulare esterna e questa ha delle caratteristiche e una

resistenza che non troviamo nelle cellule animali. La membrana plasmatica internamente si trova a contatto con la

parete; il protoplasto è tutto ciò che viene delimitato dalla membrana plasmatica. La lamella mediana è il punto in cui

comincia l’accrescimento della parete. La membrana plasmatica contiene tutta una serie di proteine canali che

catalizzano il trasporto di soluti altrimenti impermeabili. Le cellule vegetali a differenza di quelle animali hanno una

nell’apoplasto

concentrazione di soluti interna che è molto superiore alla concentrazione esterna, presente (ciò che si

trova all’esterno della membrana; simplasto è ciò che si trova all’interno). Nelle cellule di norma la membrana

plasmatica è schiacciata contro la parete, non c’è spazio tra le due: l’apoplasto è rappresentato da una serie di minerali

in soluzione.

Il fatto che la concentrazione interna sia maggiore di quella esterna, fa si che ci sarà una naturale (energeticamente

favorita) tendenza dell’acqua di muoversi dall’apoplasto al simplasto per ragioni osmotiche (essendo la membrana

permeabile). Se l’acqua tende ad entrare, il protoplasto tenderà ad aumentare di volume. Esso può farlo ma in maniera

limitata per via della presenza di una parete all’esterno (come l’aumento delle dimensioni.

una scatola) che ne limita

Consideriamo quindi il protoplasto un palloncino gonfio schiacciato all’interno delle pareti della scatola. Quando si

raggiunge un equilibrio tra flusso d’acqua e schiacciamento della parete, il protoplasto avrà trovato la condizione giusta

per formare un tessuto vegetale. La pressione interna si chiama turgore; la sommatoria di tutte queste pressioni

determina la posizione, per esempio, di una foglia o di una pianta erbacea. Se per esempio non annaffio una pianta, il

turgore interno cala (i protoplasti non si schiacciano più contro la parete perché non hanno acqua da assorbire) e

questo determina un afflosciamento della pianta.

Come fanno le cellule a mantenere la concentrazione interna maggiore di quella esterna? La pressione osmotica è

una proprietà colligativa, ovvero non dipende dal tipo di soluto ma dalla sua concentrazione (dipende dalla

concentrazione totale di tutti i soluti all’interno della cellula). La concentrazione totale interna in una cellula vegetale

mentre all’esterno all’ambiente esterno)

è 0,3 M la concentrazione è 0,1 M. Le cellule vegetali (iperosmotiche rispetto

vivono in maniera stabile in ambiente isoosmotico.

Le piante vivono in condizione iperosmotiche rispetto all’esterno e sono limitate nell’espansione dalla parete.

La pianta modello per eccellenza in biologia vegetale è Arabidopsis thaliana. Ne conosciamo esattamente tutto il

genoma (sequenziato negli anni 2000). In questi 20 anni nel genoma sono state individuate regioni promotrici,

codificanti e terminatrici. Dei 26.500 geni che codificano per proteine, almeno 1800 codificano per proteine di trasporto

(quelle responsabili della creazione e mantenimento della concentrazione interna).

POMPE PROTONICHE

Le pompe ioniche sono proteine canale che catalizzano un trasporto attivo primario. Queste proteine hanno un sito di

legame per dei nucleotidi trifosforilati (tipicamente ATP) e che quindi idrolizzando 1 o più molecole di ATP ricevono

energia sufficiente per svolgere un lavoro, come trasportare ioni attraverso la membrana. Queste proteine catalizzano un

trasporto contro gradiente: lo ione che viene spostato non seguirebbe questo percorso spontaneamente per via del

gradiente (anzi, seguirebbe il percorso opposto).

Il sistema più semplice vede una proteina che prende uno ione (X), catalizza questo trasporto che altrimenti non

Se ci fosse un’altra

avverrebbe (poiché avviene contro gradiente) consumando ATP (trasporto attivo primario).

proteina che trasporta un altro ione, invece che consumare ATP, sfrutta il gradiente favorevole di uno ione (X) per

trasportare l’altro (Y) contro gradiente (trasporto attivo secondario).

Le pompe delle piante che consumano ATP sono prevalentemente pompe protoniche. Le piante non hanno le pompe

+ +

Na -K : questa pompa, fondamentale nella cellula animale, è sostituita funzionalmente da una pompa protonica. Noi

quindi parleremo semprissimo di pompe protoniche! La cellula vegetale crea quindi gradienti protonici e poi li sfrutta

per trasportare altre sostanze. 1

Scienze biologiche, unibo FM

Nelle cellule vegetali ci sono 3 tipi di pompe protoniche fondamentali:

• ATPasi (PM) localizzata sulla membrana plasmatica; è di tipo P. Idrolizza ATP e catalizza un movimento di

protoni dal simplasto all’apoplasto;

• ATPasi (TP) localizzata nel Golgi, nel tonoplasto (membrana del vacuolo) e altre membrane interne. Questa

non ha nulla a che vedere con l’altra ATPasi (è di tipo V, somiglia a F0-F1 dei mitocondri);

• PPasi (TP) localizzata nel tonoplasto. La pirofosfatasi invece che utilizzare ATP utilizza PPi (viene idrolizzato

a due Pi separati).

vengono fatti uscire verso l’apoplasto (dalle pompe protoniche a livello della membrana)

I protoni o vengono fatti

entrare all’interno del vacuolo (pompe a livello del tonoplasto): il pH aumenta nel simplasto mentre cala nel vacuolo e

nell’apoplasto, dove ho concentrazioni +

di H maggiori. M o 0,1 μM.

-7

Essendoci un pH = 7 nel simplasto significa che la concentrazione dei protoni è pari a 10

nell’apoplasto e nel vacuolo

+

Per ogni protone presente nel citoplasma (pH = 7.2) ci sono 100 H (pH = 5.5): questo è

il gradiente che viene creato e mantenuto dalle pompe.

L’ATPasi protonica della PM è formata da una sola subunità ed è di tipo

P: l’ATP legando la proteina nel suo sito attivo fosforila il residuo di

è l’intermedio nella quale la pompa permane

aspartato. Asp-P per un

certo periodo prima che il Pi sia poi trasferito. Le pompe protoniche dei

cloroplasti e mitocondri funzionano in modo diverso. La proteina si trova

quindi in due conformazioni: in una il sito è aperto verso il citoplasma,

nell’altra verso l’apoplasto. Ciò che fa cambiare conformazione è

l’idrolisi di ATP. Durante l’oscillazione conformazionale, gli H + vengono

all’esterno.

trasferiti

La proteina è formata da quasi 1000 aa. Le pompe consumerebbero

+

continuamente ATP citoplasmatico per trasportare H se non ci fosse una

regolazione. Quali sono i sistemi di regolazione? Vi è una lunga catena

al dominio C-t di 70 aa che può chiudersi sulla pompa (chiudendo quindi

l’accesso al sito dell’ATP) o rimanere libera nel citoplasma. A seconda

della conformazione di questo dominio di autoregolazione, la pompa

funzionerà o meno. La pompa protonica, quando è in condizioni inattive,

si trova nella conformazione a dimero: è inattiva perché il dominio C-t

autoinibitorio si trova organizzato in modo tale da inibire il dominio della

proteina di fianco (in pratica, il C-t di una subunità del dimero inibisce il

sito di legame per l’ATP dell’altra subunità e viceversa, “autoinibizione

incrociata” per capirci). Le chinasi vanno a fosforilare diverse proteine:

la presenza di un fosfato fa si che si cambi conformazione e la proteina si

attivi. La treonina può essere fosforilata da una particolare chinasi. La

fosforilazione non è però sufficiente ad attivare la proteina, deve

intervenire anche una proteina che si chiama 14-3-3. Queste proteine

hanno la capacità di legare i peptidi fosforilati: laddove intervengono fosforilazioni per modificare la conformazione

delle proteine, intervengono anche proteine 14-3-3. Queste hanno 2 domini (sono dimeri) e presentano siti di legame

specifici per i Pi-peptidi (in pratica, la proteina lega un Pi di una subunità di un dimero con un sito e un altro Pi di

un’altra subunità di un altro dimero con l’altro sito di legame). Si crea in questo modo una conformazione nuova in cui

coppie di dimeri sono legate da proteine 14-3-3 fino ad ottenere un esamero. Quindi:

1. Dimero con inibizione del C-t;

2. Avviene fosforilazione a livello del C-t ad opera di chinasi;

L’estensione C-t

3. assume una diversa posizione e la 14-3-3 lega i fosfati legati agli aa che costituiscono i C-t di

diverse subunità;

4. Si forma un esamero (con 6 subunità tutte attive), una catena di dimeri tutti attivi.

Esistono dei patogeni come Fusicoccus amigdale (fungo) che attaccano una serie di piante, producono delle tossiche

fortemente idrofile che entrano all’interno delle membrane. Il patogeno mette in crisi la pianta che non riesce, per

esempio, a regolare alcune funzioni. 2

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Quando il soluto movimentato da una pompa è carico, allora il suo gradiente non solo è un gradiente di

concentrazione ma anche di carica. Ciò crea una condizione tale per cui nelle cellule vegetali il contenuto totale di

cariche all’interno e all’esterno (rispetto alla membrana) è diverso: a ridosso della membrana, lo squilibrio di carica si

all’interno e (+) all’esterno.

concentra e otteniamo una prevalenza di carica (-) La cellula ha quindi un potenziale di

mV negativo all’interno.

membrana. Le cellule vegetali hanno un potenziale indicativo E di -120 Il potenziale si

M

calcola facendo la differenza tra potenziale interno ed esterno. In una cellula vegetale, uno dei responsabili del

all’esterno sono 100 volte

potenziale è la pompa protonica: da una parte crea un gradiente di concentrazione (i protoni

più concentrati che all’interno) e anche un gradiente di carica (all’esterno vi è una prevalenza di cariche positive). Ci

sono quindi due ragioni per cui i protoni tendono ad entrare all’interno della cellula:

1. Dal punto di vista del gradiente protonico, plasmalemma e tonoplasto delimitano due condizioni simmetriche

(il pH è circa 5.2 da entrambe le parti mentre nel citoplasma è di 7.2)

2. Per quanto riguarda il potenziale di membrana, a livello del tonoplasto è -30 mV e a livello del

plasmalemma è -150 mV.

A livello del vacuolo, si aprono le pompe per i protoni (che vanno all’interno) mentre il sodio viene trasportato verso il

citoplasma (Na sposta cariche (+)).

Una cellula fa meno fatica ad estrudere un protone nell’apoplasto o nel vacuolo? La pompa che porta il protone

nell’apoplasto ha 2 problemi: il primo è che il gradiente di concentrazione è pari a 1:100 e il secondo è perché parto da

un posto in cui la carica è negativa (all’interno) per portarlo all’esterno dove la carica +

è positiva. Per portare H nel

vacuolo, il problema del gradiente persiste ma la differenza di carica è meno netta a livello del tonoplasto. Quindi, è più

+

facile portare un H nel vacuolo. kJ/mol) è un modo per rappresentare l’energia libera

Il potenziale elettrochimico di un soluto (Δμ misurato in

associata all’esistenza di un gradiente di concentrazione e di un campo elettrico. Il potenziale ci dice quindi quanta

(Δμ

energia mi serve per compiere quel lavoro. Prendiamo in considerazione il caso del protone in ingresso ).

H+

+

[ ]

≈ +

+ (−)

+

[ ]

+ -7 -5

Le concentrazioni citosoliche e apoplastiche di H sono rispettivamente 10 M e 10 M mentre il potenziale di

un valore negativo, l’energia sarà liberata nel

membrana E è pari a -120 mV. Se avremo corso del processo; se sarà

M

positivo allora l’energia dovrà essere assorbita dal sistema perché la reazione avvenga.

−7

10 120

= 6 log + (− ) = −

+

−5

10 10

Δμ l’energia libera per mole di una determinata specie chimica.

è quindi definito come +

Consideriamo il principale catione della cellula vegetale: il K . Ipotizziamo che nella cellula non ci sia potassio

(condizione assurda); cosa succede in questo caso? Il potassio ha una sua tendenza spontanea ad entrare nella

Questo dipende da due fattori: il primo è la concentrazione (all’esterno è sicuramente più alta rispetto che

cellula? Si!

all’interno, dove abbiamo detto che è nulla) e il secondo è la distribuzione di carica (negativa all’interno). Questo

trasporto spontaneo potrebbe essere catalizzato da un canale o da un trasportatore in simporto, che sfrutta il gradiente

favorevole di una sostanza per far entrare uno ione senza dispendio di energia.

+

Se ci chiediamo quanto costa buttare fuori un H faremo...

+

[ ]

(−)

Δμ = 6 log +

+

+

[ ] 10

È l’inverso rispetto alla consideravamo l’energia che verrebbe rilasciata per far

situazione descritta prima (prima +

entrare un protone). Se la concentrazione apoplastica di H è 100 volte superiore a quella citosolica ed E è un valore

M

positivo pari a + 120 mV, allora...

= + ( ) =

+

La nostra proteina ATPasi ha circa un rendimento del 50%: consuma 50 di energia e fa un lavoro che ne produce 24.

Anche la pompa presente sul vacuolo trasporta due protoni all’interno consumando 1 solo ATP. Quanto costa portare

un protone all’interno del vacuolo? Le concentrazioni sono circa le stesse mentre il potenziale di membrana è 30 mV...

−

= + ( ) =

+

−

Il potenziale di membrana rende meno arduo il trasporto di protoni. Il rendimento di questa ATPasi è invece del 60%.

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Ipotizziamo che il potassio possa andare all’equilibrio potendosi muovere liberamente attraverso la membrana fino a

(condizione in cui non c’è più

+

raggiungere una condizione di equilibrio elettrochimico di K una tendenza netta del

potassio né di entrare né di uscire). Se il potassio ha questa possibilità, quali saranno i rapporti tra interno ed esterno

Le due concentrazioni non saranno le stesse perché il polo negativo all’interno

delle concentrazioni del potassio?

+

influisce sulla distribuzione di K . Il potassio (essendo uno ione carico) sente il campo elettrico quindi consideriamo il

potenziale elettrico pari a - 12 kJ/mol (- perché il potassio entra). Ciò comporta che la concentrazione citosolica deve

essere 100 volte superiore a quella apoplastica (questo perché bisogna azzerare il potenziale elettrico, quindi mettendo i

valori nella formula bisogna ottenere 12 kJ/mol).

In pratica, essendoci il gradiente elettrico che è pari a -12 kJ/mol che agisce sul potassio, la distribuzione della sua

concentrazione deve essere tale da, una volta calcolato il logaritmo e moltiplicato per 6, dare 12 kJ/mol. Per ottenere

questo risultato, quindi, il potassio deve essere concentrato 100 volte di più all’interno.

Il potassio ha tipicamente una concentrazione apoplastica di 1 mM, quindi nel citoplasma sarà di 100 mM: questo

costituisce il principale soluto della cellula vegetale. Se il potenziale di membrana aumenta di 60 mV, allora la

concentrazione di potassio all’interno andrà ad aumentare. Ogni 60 mV la concentrazione di uno ione monovalente

aumenta di 10 volte; per gli ioni bivalenti, invece, ogni 60mV la concentrazione aumenta di 100 volte.

all’interno e, di conseguenza, la

Quindi, aumentando il potenziale di membrana, aumenta la concentrazione di potassio

concentrazione totale dei soluti (0,3 M) all’interno della cellula. Il potassio entrando renderà il potenziale di membrana

meno negativo perché il polo negativo si annulla. La pompa protonica, però, finché funziona, può bilanciare questo

+ +

effetto: se K tende ad annullare il potenziale di membrana, la pompa di H tenderà a funzionare più velocemente per

A monte c’è quindi la pompa protonica che, decidendo di

espellere protoni e mantenere il potenziale costante.

consumare più o meno ATP, può alzare, abbassare o mantenere il potenziale di membrana.

Sistema passivo: canali per il potassio + sistema attivo: pompe protoniche = risultante del trasporto generale

Esistono dei sistemi di simporto, per esempio, per il saccarosio. Questi trasportatori sfruttano il gradiente elettrochimico

favorevole dei protoni per trasportare all’interno il saccarosio. Queste proteine oscillano tra due conformazioni. Il

gradiente elettrochimico del saccarosio è facile perché è una molecola neutra: non sente il campo elettrico. Se voglio

all’interno della cellula considero

concentrare il saccarosio 1:10 quindi solo le concentrazioni interne ed esterne. Parto

che dentro e fuori siamo in equilibrio: accendo il sistema di trasporto e i protoni entreranno easy per il potenziale

Per ogni saccarosio trasportata all’interno 1:10 consumerò 6 kJ/mol; se trasporto altro saccarosio per

favorevole. l’equazione del gradiente elettrochimico

arrivare ad una concentrazione 1:100 allora avrò consumato 12 kJ/mol (svolgo

Tutto l’ATP prodotto verrà poi usato per compiere diversi lavori.

di prima ma contando solo le concentrazioni).

Le piante non amano il sodio quindi tendono a buttarlo fuori. Non hanno una pompa sodio-potassio ma sfrut