Che materia stai cercando?

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

più piccola e quindi le velocità dei due flussi saranno più basse, ma il rapporto tra i

due flussi (efficienza d’uso dell’acqua) è più alto.

L’efficienza quindi non ci dice nulla sulle velocità con cui le piante assorbono CO2. Ci

dice solo quanta acqua costa ogni grammo di CO2.

Anche la concentrazione di CO2 molto bassa all’interno di una foglia che dobbiamo

usare per fare questi conti, come nelle C4, è una cosa che si verifica nelle CAM, ma

quando il vacuolo si satura di

per un tempo relativamente breve. Perché sappiamo che

malato l’intero processo rallenta fino a fermarsi e quindi la concentrazione di CO2

dentro la foglia tenderà ad aumentare. Di conseguenza il gradiente tenderà ad essere

più piccolo.

Le conclusioni a cui possiamo arrivare sula base di questa analisi sono che:

- L’efficienza d’uso dell’acqua è comunque bassa perché i flussi di vapore acqueo

attraverso le aperture stomatiche sono più grandi dei flussi di CO2 e questo in

parte perché il coefficiente di diffusione dell’acqua per quanto riguarda il vapore

è più alto di quello della CO2, e poi perché le concentrazioni in gioco sono più

alte e quindi anche i gradienti di concentrazione di vapore acqueo, che si

instaurano tra la camera sottostomatica e l’ambiente esterno, sono più grossi di

quelli della CO2.

Questo è particolarmente vero per le C3.

Le C4, a parità di condizioni ambientali, hanno un’efficienza d’uso

 d’acqua migliore delle C3 perché grazie all’attività della PEP carbossilasi

riescono a mantenere una concentrazione di CO2 nella foglia più bassa

durante lo stato stazionario e quindi un gradiente di concentrazione di

CO2 più ripido di quello che c’è nelle C3.

- L’efficienza di uso dell’acqua, a parità di altre condizioni, diminuisce in modo

drammatico all’aumentare della temperatura.

Le CAM sono in grado di vivere meglio di tutte le altre in un ambiente con

 clima particolarmente caldo durante il giorno in cui hanno rispetto alle

altre la massima efficienza stomatica perché aprono gli stomi di notte.

- Di notte si ha un brusco calo della temperatura che comporta un drastico

aumento dell’umidità relativa dell’aria e quindi una drastica diminuzione dei

flussi di dispersione del vapore acqueo, quindi di traspirazione.

Le CAM hanno produttività bassa perché il prezzo che pagano per tenere gli

stomi aperti solo di notte è quello che possono fissare ed utilizzare come

substrato per la fotosintesi solo quella quantità di CO2 che possono

immagazzinare nel corso della notte sotto forma di malato.

Quant’è l’acqua che viene persa per traspirazione?

Una pianta di mais, che è una C4, può traspirare 3-4 litri di acqua al giorno.

Un albero può arrivare a centinaia di litri di acqua traspirata al giorno.

Questo pone un problema.

La perdita d’acqua per una pianta terrestre è condizione necessaria per acquisire CO2.

Però una pianta può traspirare indefinitamente? Può permettersi di traspirare tutta

l’acqua che vuole?

Ovviamente no.

Una delle componenti dello stato stazionario è anche il contenuto di acqua, che deve

essere costante allo stato stazionario.

Il che significa che la pianta può traspirare, senza che cambi il suo stato stazionario,

(senza avere una perdita netta di acqua) soltanto alla stessa velocità a cui è in grado

di acquisire acqua e di far arrivare l’acqua fino alle foglie e alle camere

sottostomatiche.

Solo se la velocità con cui l’acqua entra nella pianta, e si muove attraverso

la pianta fino alle foglie e alla loro camera sottostomatica, è uguale alla

velocità con cui l’acqua viene traspirata avremo un contenuto costante di

acqua.

Se la velocità con cui l’acqua viene traspirata supera la velocità con cui la pianta è in

grado di acquisire acqua, la pianta appassisce = abbiamo una perdita secca di acqua

che vediamo fenotipicamente come appassimento delle foglie.

Il fatto che la pianta possa perdere solo l’acqua che è in grado di acquisire, quindi il

fatto che comunque a contatto con l’aria l’acqua tende ad uscire dalla pianta, è la

ragione per cui nelle piante terrestri la superficie fogliare è impermeabilizzata e

cutinizzata.

Le uniche vie attraverso le quali può avvenire la dispersione dell’acqua, sono gli stomi,

che la pianta è in gradi di controllare aprendo e chiudendoli.

Non a caso vedremo che il segnale più forte nell’indurre la chiusura degli stomi è la

disponibilità d’acqua. Appena il contenuto di acqua della foglia o la possibilità di

acquisire acqua dal terreno diminuiscono sotto un certo valore soglia, la pianta chiude

gli stomi in modo da trattenere il più possibile l’acqua che ha a disposizione.

Questo fatto di chiudere gli stomi comporta che la pianta, oltre a non perdere più

acqua, non acquisisca CO2, perché la cutinizzazione della lamina fogliare la rende

impermeabile non solo all’acqua ma anche alla CO2.

Quindi solo se gli stomi sono aperti può essere acquisita la CO2, ma gli stomi possono

stare aperti solo se la quantità di acqua che viene dispersa non supera la quantità di

acqua che viene acquisita.

Questa è la ragione principale per cui si sono evoluti dei meccanismi molto sofisticati

di regolazione dello stato di apertura degli stomi di cui parleremo più avanti.

Questo connubio tra flussi di CO2 e flussi di acqua attraverso le aperture stomatiche

va sotto il nome di compromesso tra fotosintesi e traspirazione.

Fondamentalmente il grado e la durata nel tempo di apertura degli stomi sono regolati

in modo da ottimizzare sia l’acquisizione di CO2, e quindi la fotosintesi, che il

mantenimento dell’acqua. Da sottolineare che i due flussi però hanno necessità

opposte: il primo esige stomi aperti, il secondo esige stomi chiusi.

Sono quindi due input che hanno un effetto opposto sull’apertura degli stomi, che è

regolata in modo tale da consentire di acquisire tutta la CO2 che si può acquisire

senza perdere troppa acqua.

E’ un compromesso, perché se la pianta potesse aprire di più gli stomi potrebbe fare

più fotosintesi, e se potesse chiudere di più gli stomi potrebbe perdere meno acqua.

Il problema a questo punto è capire come e da dove l’acqua viene dalla pianta, come

viene trasportata attraverso la pianta. E’ evidente da questo disegno, fatto all’inizio,

che se gli stomi sono aperti il vapore acqueo esce e costantemente si avrà

evaporazione dell’acqua dalla superficie delle cellule che racchiudono la camera

sottostomatica.

Questo perché l’uscita di vapore acqueo tende ad allontanare dall’equilibrio la fase

gassosa dalla fase liquida all’interno della camera sottostomatica e quindi ulteriore

vapore acqueo verrà prodotto a partire dall’acqua.

Questo significa che dell’altra acqua deve costantemente arrivare.

L’apertura degli stomi per poter assorbire CO2 comporta, in conclusione, comporta

come condizione necessaria la perdita da parte della pianta di una quantità d’acqua

(più di 10 volte superiore nelle CAM) sotto forma di vapore acqueo, che diffonde dalla

camera sottostomatica all’ambiente esterno.

Le piante hanno sviluppato la capacità di regolare finemente lo stato di apertura degli

stomi in modo tale da raggiungere un compromesso ottimale tra entrata di CO2 e

perdita di acqua.

Perché questo compromesso è necessario?

Perché la perdita d’acqua da parte delle foglie non può essere indefinitamente grande

in quanto se la perdita d’acqua fosse superiore all’assorbimento di acqua da parte

delle foglie, il contenuto di acqua della pianta diminuirebbe e quindi si avrebbe un

discostamento dallo stato stazionario.

Questo significherebbe perdita del turgore cellulare e appassimento, ossia la foglia

invece di essere una lamina distesa ed esposta quindi con tutta la sua superficie alla

radiazione solare diminuisce la sua superficie e la sua capacità di intercettare la luce.

Dobbiamo capire :

- Come fa la pianta ad assorbire tanta acqua quanta ne traspira (si tratta di litri

di acqua al giorno, litri di acqua all’ora per certe piante).

- Come fa una volta assorbita l’acqua a farla arrivare alle foglie.

Le piante assorbono l’acqua dal terreno, quindi sono le cellule della radice, in

le cellule dell’epidermide radicale,

particolare che sviluppano i peli radicali attraverso

cui la pianta acquisisce l’acqua.

Cominciamo dall’analizzare le reazioni idriche di una singola cellula, una cellula della

radice che è a contatto con il terreno.

Abbiamo già parlato dell’osmosi e della pressione osmotica, quindi sappiamo già che

la membrana cellulare è molto permeabile all’acqua .

La membrana è così più permeabile all’acqua che ai soluti (ioni minerali) che sono

disciolti nell’acqua stessa.

La permeabilità per l’acqua è così più alta della permeabilità degli ioni che in prima

membrana

approssimazione possiamo considerare la membrana cellulare come una

semipermeabile e cioè permeabile all’acqua, ma non ai soluti che vi sono disciolti

(questa è chiaramente un approssimazione perché esiste una permeabilità definita

della membrana cellulare a diversi ioni che però dipende dalle proteine di trasporto,

capaci di far passare questi ioni; questa prima approssimazione però che ci aiuta

molto a capire come l’acqua può muoversi attraverso la membrana cellulare).

***Le cellule vegetali hanno una grande differenza rispetto alle cellule animali, cioè la

presenza della parete cellulare. Quest’ultima è altamente permeabile all’acqua non

solo perché essa è una molecola poco polare che può diffondere attraverso la

componente lipidica della membrana con un buon coefficiente di permeabilità ma

anche perché nella membrana cellulare sono anche presenti delle particolari proteine

che formano un canale nella membrana, che è un canale permeabile all’acqua. Questa

proteine vengono chiamate acquaporine.***

Il risultato della permeabilità all’acqua della componente lipidica della membrana e la

l’acqua tende a mettersi in equilibrio

presenza di acquaporine nella membrana è che

attraverso la membrana cellulare tra ambiente esterno e interno della cellula .

L’acqua tende a una condizione in cui il suo potenziale sia uguale sui due lati

della membrana. (H20 out = H20 in).

Abbiamo già parlato del potenziale chimico che è funzione della sua natura chimica,

della sua concentrazione, della pressione a cui è sottoposto, del campo elettrico a cui

è sottoposto e dell’altezza sul livello del suolo.

La sommatoria di quelle componenti tende a diventare uguale tra le due parti.

A seconda della trasformazione di cui ci occupiamo, della natura della molecola di cui

ci occupiamo, essendo tutte quelle componenti in somma fra di loro, ed essendo che a

noi interessano le differenze di potenziale chimico le componenti rilevanti di cui

dobbiamo tenere conto cambiano.

Per esempio in una trasformazione chimica avevamo visto che di fatto le uniche

componenti che ci interessano sono il potenziale standard e la componente di

concentrazione.

Quando invece ci occupiamo del trasporto di una molecola attraverso una membrana

il potenziale standard non ci interessa perché qualunque sia il suo valore, sarà uguale

da entrambe le parti perché dipende solo dalla natura chimica della molecola.

Non ci interessa la componente gravitazionale quando ci occupiamo del trasporto

attraverso una membrana. Inoltre avevamo sempre considerato trascurabile la

componente della pressione fondamentalmente perché essendo il volume molare

misurato in metri cubi, quando noi lavoriamo in joule, il prodotto P x V è piccolo.

Quindi anche in caso ci fosse stata una differenza di pressione tra una parte e l’altra

della membrana, l’avevamo considerata trascurabile.

La situazione è un po' diversa quando ci occupiamo del potenziale chimico

dell’acqua essenzialmente per ragioni storiche, cioè perché il modo in cui veniva – e

viene tuttora - misurato il potenziale dell’acqua è facendo misure di pressione. Quando

parliamo di potenziale dell’acqua normalmente non lo misuriamo in termini di J x mol

ma in termini di pressione.

Questo cosa significa?

Significa che poiché il prodotto P x V è una misura del lavoro di espansione, se noi

vogliamo passare da J/mole a pressione dobbiamo dividere mu per un volume.

Quale volume?

Il volume molare.

Cioè quando noi misuriamo il potenziale dell’acqua in termini di pressione

fondamentalmente non facciamo altro che dividere questa relazione per il volume

molare dell’acqua.

In realtà facciamo anche un’altra cosa: non misuriamo il valore assoluto del potenziale

dell’acqua, ma misuriamo la differenza tra il potenziale dell’acqua in quella

condizione e il suo valore di potenziale standard.

È come se mettessimo il potenziale standard uguale a zero.

A questo punto se ci stiamo occupando del potenziale dell’acqua di una cellula e delle

quali sono le componenti che ci

relazioni fra l’interno della cellula e ambiente esterno,

restano?

Quello che noi misuriamo quando misuriamo il potenziale dell’acqua, che

indichiamo con la lettera psi, è:

E

Ci resta quindi che psi dell’acqua è dato dalla sommatoria della componente di

concentrazione e dalla componente di pressione:

Questo P è la differenza tra la pressione reale a cui è sottoposta l’acqua e la pressione

unitaria, cioè quella delle condizioni standard.

Qual è la [H2O] in acqua? 55.5 periodico molare. 1 mole d’acqua sono 18 grammi

d’acqua, un litro d’acqua sono 55.5 moli di acqua.

Il che significa che tra l’acqua pura e una soluzione diluita di sali in acqua, la [H2O]

cambia molto poco.

C’è n’è così tanta che prima di far diminuire sensibilmente la concentrazione di acqua

ce ne vuole.

Questo significa che misurare la [H2O] in acqua e confrontare le misure di

concentrazione di acqua in acqua, in acqua pura o in una soluzione x è estremamente

difficile.

Le differenze sono piccole e possono essere dello stesso ordine di grandezza

dell’errore che facciamo nel fare la misura.

Allora un signore di nome Van t’Hoff si è posto questo problema ed ha dimostrato che

posso misurare il valore della componente di concentrazione del potenziale

dell’acqua sulla base della concentrazione di tutte le molecole che ci sono sciolte

dentro, quindi sulla base della sommatoria delle concentrazioni di tutto ciò

che è sciolto dentro.

Questa concentrazione dovrebbe essere espressa in frazione molare: quindi il numero

di moli dei soluti disciolti su numero di moli.

Però possiamo con un banale accorgimento matematico esprimere questa

sommatoria delle moli di soluti per unità

concentrazione dei soluti anche in termini di

di volume:

Questo rapporto verrà definito come osmolarità.

Stiamo parlando, come unità di misura, di moli in soluzione, il che significa che se io in

soluzione ho messo del calcio cloruro (1 mol di calcio cloruro pesa 110-120) quando

una mole di calcio cloruro si scioglie in acqua, troveremo una mole di calcio e due moli

di cloruro. Cioè in soluzione una mole di calcio cloruro ne vale 3. Questo perché

quando si scioglie i Sali si dissociano.

Di questo ne dobbiamo tenere conto quando determiniamo l’osmolarità.

Il signor Van t’Hoff ha dimostrato che possiamo esprimere la componente di

concentrazione del potenziale dell’acqua in questi termini

RTlnxH20/v = -RT[osm]

x -RT sommatoria [s]

Abbiamo un piccolo problema: se usiamo l’osmolarità usiamo come unità di misura del

volume il litro. Mentre nel sistema generale di misura l’unità di misura del volume è il

metro cubo. Il che significa che abbiamo generato una differenza di mille volte. Questa

costante generale dei gas.

differenza di mille volte la dobbiamo inserire nella

Questo vuol dire che se misuro il potenziale dell’acqua in MPa (unità di misura

della pressione) questo sarà uguale a:

Ed R, che quando lavoriamo in J/mol vale 8.3, in questo caso sarà uguale a 0.0083

MPa/gradoxmol.

Queste due componenti del potenziale dell’acqua vengono anche chiamate

potenziale osmotico e potenziale di pressione.

Sono le due componenti del potenziale dell’acqua più rilevanti quando ci occupiamo

del potenziale idrico delle cellule.

Quando ci occupiamo del trasporto dell’acqua dalla radice alle foglie, se per esempio

ci occupiamo di un baobab, non possiamo evitare di occuparci anche della

componente gravitazionale.

Se questa è la definizione del potenziale dell’acqua, quando diciamo che l’acqua tende

a mettersi in equilibrio attraverso la membrana cellulare, cioè una situazione in cui psi

in è uguale a psi out, significa dire che:

-RT [osm] + P = -RT [osm] + P

in out

Questo se sono all’equilibrio, che significa anche dire che l’acqua tenderà a muoversi

dal compartimento dove psi è maggiore al compartimento dove psi è minore e la

tendenza dell’acqua a muoversi (quindi la componente termodinamica di questo

flusso), se misuriamo il flusso ad esempio in entrata, sarà data da:

Ψ – Ψ = - RT [S – S ] + P – P

in out in out in out

Dove psi in è il punto di arrivo.

L’acqua tenderà a muoversi fino a che psi in = psi out.

Poiché la permeabilità della membrana cellulare è molto alta, sia per la componente

lipidica sia per la presenza di proteine che formano canali permeabili all’acqua,

e poiché le cellule in questione sono molto piccole e quindi la superficie relativa

di scambio fra una cellula e l’ambiente esterno è grande il risultato è che:

L’equilibramento del potenziale idrico tra ambiente interno ed esterno della cellula

avviene in tempi molto rapidi, nel giro di un minuto.

in una cellula allo stato stazionario

Questo significa che , in cui se dagli stomi

l’acqua traspira da qualche altra parte l’acqua deve entrare alla stessa velocità,

la differenza di potenziale dell’acqua tra interno ed esterno non è

necessariamente molto grande. Ma l’alta superficie relativa e la grande

permeabilità possono consentire un flusso relativamente veloce.

Se partendo da questa relazione e scriviamo qual è la condizione all’equilibrio,

dovremmo osservare uno zero:

-RT [S - S ] = - DP (in out)

in out

All’equilibrio non ci può essere differenza nella concentrazione di soluti tra

ambiente esterno e interno a meno che non ci sia una differenza di

pressione tra esterno e interno uguale e contraria.

Questa è la ragione per cui le nostre cellule sono immerse in una soluzione isotonica

composizione completamente diversa dal succo

cioè una soluzione che ha una

cellulare come qualità di soluti che ci sono presenti, ma che ha la stessa

osmolarità dell’interno della cellula.

Se prendiamo un globulo rosso e lo buttiamo nell’acqua pura questo scoppia. Se

prendiamo un globulo rosso che ha al suo interno una certa osmolarità e lo

mettiamo dentro l’acqua pura (che ha potenziale zero), avremo che nel globulo

rosso c’è una certa di osmolarità di centinaia di milliosmolare e quindi c’è una

differenza di potenziale dell’acqua notevole e, con l’interno della cellula molto

più negativo dell’ambiente esterno, l’acqua tende ad entrare nella cellula

siccome la membrana è permeabile.

Ma questa entrata di acqua, poiché l’acqua non è comprimibile, porta a

rigonfiare il globulo rosso. Inoltre la membrana cellulare non ha una resistenza

meccanica tale da imporre al liquido all’interno del globulo rosso una pressione

idrostatica che aumenterebbe il suo potenziale dell’acqua e quindi l’acqua

continua a entrare, perché non è all’equilibrio, fino a che il globulo rosso

esplode.

Nelle cellule vegetali questo non succede.

Non succede perché nelle cellule vegetali, intorno alla membrana cellulare, c’è

parete cellulare

la che è una struttura formata prevalentemente da

polisaccaridi, cioè da molecole composte da un sacco di molecole di zuccheri,

legati fra loro che possono interagire fra di loro tramite ponti idrogeno formando

una specie di tessuto intorno ala cellula. In particolare il polisaccaride principale

è la cellulosa che è un polimero del glucosio che ha una caratteristica molto

particolare. Sappiamo che ci sono diversi polimeri del glucosio ed in particolare

ci sono due polimeri del glucosio che si formano tramite lo stesso tipo di legame

tra una molecola di glucosio e l’altra, e cioè in cui il C1 (aldeidico della molecola

di glucosio) si lega con il C4 (di un'altra molecola di glucosio).

Dicevamo che ci sono due polimeri molto diversi fra loro che si possono formare

in questa maniera:

- Cellulosa

- Amilosio (nucleo centrale dell’amido)

Perché sono molto diversi?

Amilosio = la struttura tridimensionale della molecola di amilosio è come un

 gomitolo per cui si forma un granulo.

Cellulosa = la struttura tridimensionale di una molecola di cellulosa è lineare.

Da cosa dipende questa differenza?

Il legame è sempre 1-4 ed è sempre coinvolto il glucosio, ma in un caso le molecole

formano un granulo, nell’altro caso sono lineari.

glucosio è una molecola asimmetrica.

Questo dipende semplicemente dal fatto che il

Avere uno stereoisomero piuttosto che un altro significa che varia la posizione dell’OH

sul C3.

Il risultato è che se le molecole di glucosio sono di alpha glucosio, due mole di alpha

glucosio possono legarsi fra di loro con un legame 1-4, ma per via della posizione

dell’OH il legame non è piatto e forma un angolo. Se invece la posizione dell’OH è

l’altra, due molecole orientate nello stesso modo non possono legarsi fra di loro per via

dell’ingombro sterico dei due OH.

Ovviamente se le prendo orientate in modo opposto (una ribaltata rispetto all’altra) il

legame si può formare.

Quindi:

Nel caso dell’alpha glucosio il legame che si forma ha un angolo diverso da 180°

o e quindi il risultato è l’avvolgimento della catena di molecole di glucosio in un

granulo (amilosio).

Nel caso del ß-glucosio il legame che si forma è piatto e la molecola di cellulosa

o avrà quindi una struttura filamentosa. Sarà come un filo in cui le molecole sono

tenute insieme da un legame covalente che è piuttosto stabile.

Quindi per spostare il filo longitudinalmente è necessaria una considerevole

forza.

Inoltre si possono formare ponti idrogeno tra due strutture filamentose e questo

n

aumenta ulteriormente la resistenza meccanica perché quando ho di queste

molecole filamentose che sono tenute insieme dai ponti idrogeno, per tirarle

non solo devo “romperle tutte” ma devo anche permettere “che scorrano l’una

rispetto all’altra”.

Quindi questo tipo struttura fa sì che le molecole di cellulosa (fibrille – formate

per la giustapposizione di tante molecole di glucosio) e le fibre (che si formano

per interazione delle fibrille) abbiano una notevole resistenza meccanica, che è

molto maggiore in senso longitudinale alla molecola che non in senso

trasversale.

La presenza della cellulosa conferisce alla parete cellulare delle caratteristiche di

resistenza meccanica. Quindi se metto una cellula vegetale in acqua pura, anche in

questo caso avrò che l’acqua tenderà ad entrare nella cellula, ma man mano che

l’acqua entra nella cellula, poiché la parete cellulare resiste contro l’espansione che ne

conseguirebbe, aumenta la pressione a cui è sottoposta l’acqua all’interno della

cellula.

Dunque in una cellula vegetale è possibile, anzi è normale, che ci sia una differenza

di pressione tra interno ed esterno e di conseguenza è possibile, anzi normale,

che ci sia una differenza di concentrazione di soluti tra succo cellulare e

ambiente esterno.

Tanto più positiva è la pressione all’interno della cellula rispetto all’ambiente esterno e

tanto maggiore potrà essere la concentrazione di soluti all’interno della cellula, pur

essendo l’acqua in equilibrio tra interno ed esterno.

Esempio banale:

Palloncino da gonfiare = poco resistente alla resistenza meccanica.

Pallone da calcio vecchio stile = è fatto da due componenti, ossia una camera d’aria e

un involucro esterno.

Differenza?

Se gonfiamo il palloncino, questo si gonfia fino ad esplodere quando la pressione

diventa appena superiore alla resistenza meccanica dell’involucro. Questo assomiglia

al globulo rosso.

Nel caso del pallone da calcio, man mano che gonfiamo per un po’ la dimensione del

pallone aumenta fino a che gli esagoni sono in superficie, dopodiché non ci

accorgiamo dell’aumento del volume perché aumenta la pressione dell’aria che

abbiamo messo al suo interno. Lo stesso per la cellula vegetale.

La presenza della parete cellulare nelle cellule vegetali fa sì che l’acqua possa mettersi

in equilibrio tra interno della cellula ed ambiente esterno in condizioni in cui la

concentrazione di soluti è diversa tra esterno e interno.

Tanto maggiore è la pressione a cui l’acqua cellulare è sottoposta da parte

della parete tanto maggiore potrà essere la concentrazione di soluti

all’interno rispetto all’esterno.

Dimostrazione del fatto che sia merito della parete cellulare:

Bisogna fare un protoplasto, ossia una cellula vegetale nuda, priva di parete

cellulare. I protoplasti si possono ottenere abbastanza facilmente digerendo la parete

cellulare con degli enzimi capaci di idrolizzare i legami che tengono insieme gli

zuccheri dei polisaccaridi nella parete.

Se prendiamo un protoplasto e lo mettiamo in acqua, fa esattamente quello che fa un

globulo rosso: l’acqua entra, il protoplasto si rigonfia fino a che la membrana cellulare

si rompe e il protoplasto scoppia.

Avremo l’instaurarsi di una piccola differenza di pressione, che provoca lo scoppio, ma

la membrana cellulare non ha resistenza meccanica.

trascurabile perché

Il risultato della presenza della parete cellulare è che normalmente la

concentrazione di soluti dentro la cellula vegetale è, nella maggior parte delle piante

che vivono nei nostri climi, S = 0.5 - 1 osm, ma come vedremo può arrivare anche a 2

in

o 3 osm, essendo normalmente l’osmolarità nell’ambiente esterno di parete, ossia nel

apoplasto:

cosiddetto S = 0.03 – 0.05 osm.

out

-RT [S – S ]= - DP (in-out)

in out

Se andiamo a calcolare il valore del potenziale osmotico di una soluzione 0.5 osm

vedremo che è grosso modo nell’ordine di -1 MPa (se è 1 osm sarà circa -2 MPa).

L’acqua, però, è in equilibrio con l’ambiente esterno in cui il potenziale osmotico è

molto meno negativo di così.

Questo perché c’è una differenza di pressione tra interno ed esterno uguale e

contraria, ossia l’acqua all’interno della cellula è sottoposta ad una pressione positiva

dell’ordine del MPa.

I valori di questa pressione positiva sono i valori di quella che chiamiamo pressione

di turgore, che in una cellula vegetale che sta bene ha tipicamente valori compresi

tra 0.5- 2 MPa.

Questi valori vogliono dire 5-20 atm, cioè vuol dire che la pressione a cui è sottoposta

l’acqua in una cellula vegetale turgida è tanta.

I pneumatici nelle automobili ad esempio hanno un valore di pressione di 2 atm. Qui

siamo nell’ordine di 10-20 atm.

Ma come fa una parete spessa 10 micron a sopportare una pressione di 20 atm,

quando i pneumatici di gomma sopportano 2 atm?

Perché le cellule vegetali sono piccole.

Considerazioni di tipo fisiologico:

1. Il mantenimento del turgore cellulare è essenziale per una pianta.

cosa gli consente di stare su?

Pensiamo a un filo d’erba, che sta bello dritto,

Fondamentalmente il turgore cellulare .

Diversa la situazione nel tronco perché la funzione di sostegno è assolta in larga

misura dal legno.

Ma in una pianta erbacea la funzione di sostegno, che è inoltre quella che

garantisce alla pianta di mantenere un assetto nello spazio (che è poi l’assetto

che le consente di intercettare la luce) è in larga misura svolta dal turgore

cellulare.

La foglia infatti appassisce, si ammoscia, perché le sue cellule perdono il

turgore: perché siccome il potenziale dell’acqua all’esterno diventa negativo

loro perdono acqua e la pressione a cui l’acqua è sottoposta diminuisce. Quindi

anche il mantenimento della forma della struttura si perde.

Il turgore è così essenziale per la vita della pianta che quando il valore della

pressione di turgore scende al di sotto di un valore critico/soglia la crescita

cellulare si ferma.

Le piante hanno una crescita indefinita per tutto il loro ciclo vitale, se però non

c’è turgore cellulare a livello delle zone subapicali dove avviene la crescita, la

crescita si ferma.

2. Il potenziale idrico dell’ambiente esterno è estremamente variabile.

Se per ambiente esterno consideriamo l’aria è variabile l’umidità relativa

dell’aria e di conseguenza il potenziale idrico dell’aria. Questo perché il valore

del potenziale idrico dell’aria dipende dal suo contenuto di vapore acqueo. Meno

ce n’è più negativo sarà.

Se pensiamo a una cellula della zona assorbente della radice, questa è a

contatto con il terreno.

Il potenziale idrico del terreno non è costante, dipende ad esempio se piove o se

non piove.

Il potenziale idrico dell’ambiente esterno alla pianta è estremamente variabile.

poiché il potenziale idrico cellulare tende a mettersi

Questo significa che

costantemente in equilibrio con quello esterno,

(nel giro di 1 minuto o poco più)

se varia il potenziale idrico esterno varierà anche il potenziale idrico cellulare

che subisce continue oscillazioni.

Le continue oscillazioni che subisce sono dovute al fatto che se il potenziale

idrico extracellulare diventa più negativo la cellula perderà acqua per mettersi

equilibrio; quando questo esterno ritornerà più positivo la cellula prenderà

acqua per rimettersi in equilibrio.

In questo esperimento riportato nell’immagine, sono stati misurati i valori delle

principali componenti del potenziale idrico cellulare , cioè sia Psi che è la componente

S

osmotica, sia Psi che è la componente di pressione, in delle cellule che erano state

P

esposte ad un ambiente, soluzioni, con valori di potenziale idrico sempre più negativi

ottenuti aumentando le concentrazioni di sali.

Questo esperimento si può fare molto

bene con delle fettine di patata. Tutte le

cellule delle fettine avranno all’inizio un

loro valore di potenziale idrico. Se

vengono messe in acqua pura, in una

soluzione salina o di una molecola poco

permeabile, a una certa contrazione e

poi a un’altra, e poi a un’altra ancora.

Conoscendo le concentrazioni di sali e di

zuccheri che abbiamo messo conosciamo

il valore del potenziale idrico dell’acqua

esterna che sono i valori delle ascisse.

Le avevamo pesate prima di metterle

nella soluzione, le ripesiamo dopo che le

cellule si sono equilibrate e controlliamo

l’equilibrio.

A questo punto è stato misurato

inua nera)Quello che vedete è che man

mano che il potenziale idrico esterno diventa più negativo, il valore della pressione di

turgore scende fino a che diventa 0.

(Linea rossa)Se andiamo a guardare cosa succede al potenziale osmotico vediamo che

resta sostanzialmente costante fino a valori di potenziale esterno molto negativi e fino

a che il valore della pressione di turgore è diminuito drasticamente. Se si rende ancora

più negativo il potenziale dell’ambiente esterno piano piano comincia a cambiare

anche il valore del potenziale osmotico. La concentrazione di soluti dentro aumenta in

modo significativo e quindi il potenziale diventa sempre più negativo.

Il grafico in alto tratteggiato (in alto) ci fa vedere cosa succede nel volume della nostra

cellula ed anche questo resta relativamente costante fin tanto c’è una pressione di

turgore.

Gli aggiustamenti del potenziale idrico cellulare al vaRIARE DEL POTENZIALE IDRICO

ESTERNO SONO A CARICO DELLA COMPONENTE DI PRESSIONE e vuol dire anche che

avvengono con flussi di acqua molto piccoli, così piccoli che la concentrazione di soluti

non cambia cioè fino a che non si trova in condizioni estreme la cellula vegetale è in

grado di mantenere una soluzione di equilibrio con flussi di acqua molto piccoli che

provocano solo variazioni della componente di pressione e che non alterano le

conentrazioi di soluti all’interno della cellula. [soluti]all’interno cell vuol dire

concentrazioni di substrati e prodotti e quindi variare il potenziale idrico senza vRIARE

OSMOLARITà, VUOL DIRE VARIARE POTENZIALE IDRICO SENZA VARIARE omeostasi.

Solo quando la situazione diventa estrema e la pressione di turgore crolla a quel punto

l’unica strada che rimane aperta all’equilibriamento è la perdita massiva di acqua. La

perdita massiva di acqua comporta l’aumento della [soluti] all’interno della cellula. Fa

saltare l’omeostasi cellulare e si arriva a una condizione in cui la pressione di turgore è

completamente annullata, questa condizione è la situazione in cui inizia quel processo

che viene chiamato plasmolisi.

Cosa vuol dire plasmolisi?

Disegno della cellula all’inizio della plasmolisi. Fenomeno in cui la cellula comincia ad

avere perdita massiva di acqua la membrana cellulare non si trova più a contatto con

la parete cellulare, ma si distacca dalla parete cellulare e ovviamente turgore non è

presente. Se la plasmolisi va troppo avanti può diventare irreversibile.

I continui riaggiustamenti del potenziale idrico cellulare in conseguenza delle continue

oscillazioni del potenziale idrico extra avvengono tramite flussi d’acqua molto piccoli

che sono sufficienti a variare in modo considerevole il valore della componente di

pressione del potenziale idrico e quindi a rimettere la pianta in una situazione di

equilibrio.

Solo quando la differenza di potenziale idrico diventa molto forte e quindi la perdita

d’acqua provoca una grande caduta della pressione di turgore, iniziano i flussi massivi

di acqua che comportano variazione del potenziale osmotico. Però non hanno effetti

significativi sulle concentrazioni dis oluti dentro le cellule, sulle condizioni in cui

avvengono processi metabolici dentro le cellule.

L’smolarità del succo cellulare è compresa tra 0,5- 1 osm, ma in realtà i valori di

osmolarità del succo delle piante possono variare in maniera più grande in fuznione di

quelle che sono le condizoni prevalenti del valore del potenziale idrico nell’ambiente in

cui vivono.

Questo grafico ci riporta gli ambiti di valori di potenziale osmotico che misuriamo in

diverse tipologie di piante, ci da il range di valori di potenziale osmotico misurati in

diversi tipi di piante.

Tutte le parte nella pianta sinistra vengono definite glicofite=>piante che crescono in

terreni a bassa salinità e in cui c’è una discreta disponibilità di acqua.

In realtà l’escursione è più ampia perché il valore di potenziale osmotico va da -0,2 a

-0,5 quindi andiamo da 0,1 osm a 1 osm in cui la condizione più comune è quella della

fascia centrale di questo istogramma. Sulla destra di questo grafico ci sono piante

definite anofite e cioè piante che crescono in terreni di alta salinità, piante che hanno

le radici immerse in terreni che è bagnato da acqua marina in cui acqua marina si

mescola con acqua dolce. Questo significa che la concentrazione di sale di cloruro di

sodio nell’acqua in cui stanno le radici di queste piante è nell’ordine delle centinaia di

millimolare. Se abbiamo una soluzione id nacl 0,5 molare questo significa che

l’osmolarità di quell’acqua solo per la presenza di nacl sarà 1 osm. (0,5 na+ + 0,5 cl-)

ma una soluzione di 1 osm ha un pitenzial osmotico intorno a -2 MPa questo significa

che la pianta che vive lì dentro le loro cellule potranno avere una pressione di turgore

solo se la loro osmolarità è maggiore di quella esterna, solo se la loro osmolarità è

maggiore di 1 osm.

Una pianta può vivere in un terreno in cui la salinità dell’acuqa è così elevata solo se è

in grado di mantenere un osmolarità più alta di quella che c’è nell’acqua esterna e

infatti tipicamente i valori del potenziale osmotico delle piante alofite sono molto più

negative delle glicofite.

A seconda dell'ambiente in cui una stessa specie vegetale si trova a vivere

l'osmolarità del succo cellulare può essere diversa, quindi può variare.

Per glicofite che vivono in terreni ricchi di acqua a bassa salinità abbiamo una certa

escursione nel valore del potenziale osmotico (valore della concentrazione cellulare

dei diversi soluti)

Le alofite vivono in riva al mare prevalentemente, dove l'acqua è salmastra.

Questo significa che la concentrazione di NaCl (sale prevalente che dà la salinità al

mare) è molto alta nel terreno, nell'ordine di 0.5 M.

Vuol dire che poiché il potenziale osmotico è dato da

-RT*[Osm], abbiamo una soluzione 1 osmolare, che

significa un potenziale osmotico dell'acqua esterna

dell'ordine di 1 megapascal.

Una pianta che vive in un terreno in cui il potenziale dell'acqua dato prevalentemente

potenziale di pressione

dalla componente osmotica è così negativo, potrà avere un

positivo (cioè una pressione di turgore) solo se il potenziale osmotico interno è più

negativo di quello esterno.

Queste piante hanno tipicamente valori di potenziale osmotico molto negativi

un'osmolarità del succo cellulare molto più

che significa

alta di quella delle glicofite.

Queste piante accumulano prevalentemente cloruro di

sodio, per rendere più negativo il loro potenziale osmotico

infatti lo accumulano prendendolo dal terreno in cui vivono

che ne è ricco.

Questo NaCl non può essere accumulato nel citoplasma

delle cellule perché elevate concertazioni di Na sono

tossiche in quanto vanno ad inibire l'attività di alcuni enzimi

della glicolisi.

Se accumulano elevate concentrazioni di Na nel vacuolo

avremo elevate concentrazioni osmotiche nel vacuolo.

Fra il citoplasma e il vacuolo ci può essere una differenza di concentrazione osmotica?

Tra vacuolo e citoplasma c'è una membrana permeabile all'acqua chiamata

il potenziale idrico

tonoplasto, in cui sono presenti le acquaporine. Il che significa che

nel vacuolo e nel citoplasma tenderà costantemente a mettersi in equilibrio.

Ma fra vacuolo e citoplasma può essere mantenuta una differenza di pressione? C'è

una struttura in grado di esercitare una resistenza meccanica e quindi pressione?

Non c'è. Questo significa che fra vacuolo e citoplasma non c'è differenza di

pressione. Se psiv è = a pisc e se Pv è uguale a Pc,

siccome psi dipende dalla formula scritta sopra

ne consegue che il potenziale osmotico del

vacuolo e del citoplasma sono uguali.

Quindi la concentrazione osmotica dei soluti nel vacuolo e nel citoplasma è uguale.

Nel vacuolo c'è 0.5M di NaCl, nel citoplasma però non ci può stare tutto questo NaCl

le piante che non sono capaci di sequestrare sodio nel vacuolo muoiono in

quindi

quegli ambienti.

Questo significa che nel citoplasma vengono accumulati altri soluti diversi da

NaCl in modo tale che l'osmolarità del citoplasma sia uguale a quella del

vacuolo. non interferiscono

Questi soluti vengono chiamati soluti compatibili, ossia soluti che

con le attività metaboliche.

Son soluti poco reattivi, non interagiscono con le proteine modulandone la loro attività.

Questi soluti compatibili sono sostanzialmente aminoacidi (in particolare la prolina) o

dei derivati degli amminoacidi.

Nei diversi compartimenti cellulari la concentrazione osmotica complessiva è

uguale ma la natura dei soluti che determinano questa concentrazione nei

diversi compartimenti cellulari è diversa nei diversi.

Questo dipende dall'attività delle proteine di trasporto che sono espresse nelle diverse

membrane.

Nel caso della cellula di alofita evidentemente sulla membrana vacuolare saranno

trasportatori in grado di trasportare Na all'interno del vacuolo contro il suo

espressi

gradiente elettrochimico.

La capacità di sequestrare Na nel vacuolo (e in misura minore di cacciarlo fuori

attraverso la membrana plasmatica) ed escluderlo dal citoplasma è una caratteristica

principale per avere una tolleranza all'ambiente salino.

Tra le alofite e le glicofite ci sono delle specie tolleranti alla salinità che possono

crescere in terreni di acqua dolce ma anche in terreni ad elevata salinità. Una di

queste piante è l'orzo, questo perché è in grado di abbassare il suo potenziale

osmotico aumentando l'osmolarità del succo cellulare sequestrando NaCl dentro al

vacuolo, a seconda di dove crescerà avrà diversi valori di potenziale osmotico.

In realtà anche all'interno di una stessa pianta, di una specie che vive in un

determinato ambiente, ci sono alcune cellule in cui l'osmolarità del succo cellulare

(valore della componente osmotica dell'acqua) varia in modo drammatico e

reversibile. cellule di guardia degli stomi,

Un esempio di cellule di questo tipo sono le in cui a

seconda se lo stoma è aperto (e quindi richiede turgore delle cellule di guardia) o se lo

stoma è chiuso, l'osmolarità del succo cellulare varia di centinaia di mM.

Altri grandi due gruppi di piante sono le xerofite e le pseudoxerofite.

ambienti in cui la disponibilità di acqua è molto

Le xerofite vivono tipicamente in

scarsa: piante steppiche, per la disponibilità di acqua subisce escursione molto grandi,

e piante desertiche.

Il valore di potenziale osmotico delle cellule delle xerofite sono più negativi

rispetto a quelli delle cellule delle glicofite: accumulano valori più elevati di

soluti.

Questo perché avere scarsa acqua significa che il potenziale idrico dell'esterno è

fortemente negativo: ha tendenza a traspirare perché l'umidità relativa dell'aria è alta.

Quando l'umidità relativa è intorno al 50% il potenziale idrico dell'aria vale fino a -100

milliPa.

Quando nel terreno c'è poca acqua, quel poco che ce n'è aderisce alle particelle del

terreno, insinuandosi tra una particella del terreno e l'altra.

Siccome le molecole di acqua sono coese tra loro, l'adesione alle particelle di terreno

genera una situazione di tensione che porta alla formazione dei cosiddetti menischi.

Meno acqua c'è e più stretto e incurvato sarà il menisco e più alta sarà la tensione

La tensione non è altro che una pressione negativa.

esercitata sulle molecole d'acqua.

Nel caso delle xerofite il potenziale dell'acqua è negativo come nel caso delle

alofite.

Nel caso delle alofite era negativo perché era negativa la componente osmotica, nel

caso delle xerofite il potenziale dell'acqua esterna è negativo perché è negativa la

componente di pressione a cui l'acqua è sottoposta in seguito all'adesione delle

molecole di acqua al terreno e alla coesione delle molecole di acqua fra loro.

Da un raggio di curvatura del menisco di 5 micron in cui la pressione dell'acqua è

modesta, -0.03 MPa, la pressione aumenta di 10 volte, in negativo, all’aumentare di 10

volte il raggio.

Anche se la causa della negatività del potenziale dell'acqua nelle xerofite e nelle

alofite è differente, è uguale la conseguenza: è possibile mantenere turgore

cellulare solo abbassando la componente osmotica in modo tale che sia più

negativa del potenziale idrico esterno.

Per mantenere una pressione di turgore positiva di +1MPa è necessario che la

pressione osmotica sia almeno di -2MPa modo che si arrivi ad una situazione con

l'esterno che permetta il passaggio di acqua. Se fosse di -1MPa sarebbe all'equilibrio e

non ci sarebbe scambio di acqua.

I valori di potenziale osmotico delle pseudoxerofite sono molto variabili ma in modo

simile a quelli delle xerofite.

Queste piante sono le conifere, che appartengono alle gimnosperme.

Vengono chiamate pseudoxeroite perché non vivono negli ambienti in cui vivono nelle

xerofite ma si comportano allo stesso modo.

Perchè le conifere hanno questa morfoligia da xerofita anche se stanno in ambienti

non xerici?

Perché hanno un sistema di trasporto dell'acqua meno efficiente.

Questo ci introduce bene all'argomento di come l'acqua faccia ad arrivare alle foglie

da cui traspira.

Lo xilema trasporta l'acqua.

Il problema delle conifere è che lo xilema (in quanto gimnosperme) è uno xilema un

po' primitivo in cui la velocità a cui può muoversi l'acqua è molto più bassa che nello

xilema delle angiosperme.

Per cui in questo caso il problema non è acquisire l'acqua ma avere una velocità di

trasporto dell'acqua attraverso la pianta che uguagli la velocità di traspirazione.

Da una parte abbassando il potenziale osmotico aumentano la capacità di prendere

l'acqua, però la capacità di trasportarla è ridotta, e le foglie quindi sono simili a quelle

delle xerofite per ridurre la velocità di traspirazione per evitare che la velocità di

traspirazione superi quella di trasporto.

E' evidente che il sistema del trasporto dell'acqua è meno efficiente se la conifera è

più alta.

Nella camera sottostomatica quando gli stomi sono aperti e avviene la traspirazione:

l'aria nella camera sottostomatica tende ad essere sempre molto vicina alla condizione

di equilibrio con la fase acquosa. Perché la superficie relativa tra la fase acquosa e la

gassosa è alta quindi la velocità di equilibrio è alta.

Ma se lo stoma è aperto c'è un flusso importante di vapore acqueo che esce dalla

camera sottostomatica verso l'esterno.

Questo tenderà ad abbassare l'umidità relativa nella camera sottostomatica e quindi a

rendere negativo il potenziale dell'acqua nella fase gassosa. Siamo quindi in una

situazione di disequilibrio.

Tutta questa evaporazione comporta una diminuzione del contenuto di acqua

delle pareti cellulari, questo fa sì che negli interstizi tra una cellula e l'altra, l'acqua

il

che aderisce alle pareti cellulari ed è coesa vada in tensione formando dei menischi

cui raggio di curvatura sarà tanto più piccolo tanto più il livello dell'acqua si abbassa.

Più il menisco diventa piccolo più il potenziale dell'acqua extracellulare

acquisirà un valore negativo perché sotto pressione/tensione.

In questa situazione la cellula non è più in equilibrio con l’ambiente esterno e tenderà

a perdere acqua perché il suo potenziale è più positivo di quello esterno . A questo

punto se perde acqua il suo potenziale diventerà più negativo rispetto all'esterno e

quindi tenderà a prendere acqua e così via.

I flussi osmotici possono tendere a riequilibrare il potenziale idrico di cellula in cellula.

Possono andare avanti fino ad arrivare al pelo radicale da cui la cellula vicina sottrae

acqua rendendo il suo potenziale più negativo rispetto all'esterno così può assorbire

acqua.

Potremmo immaginare che l'acqua si muova dal terreno verso l'aria esterna di cellula

in cellula per osmosi. Questo movimento è drenato dalla traspirazione che abbassa il

potenziale idrico della camera sottostomatica.

Se faccio i conti scopro che la velcoità a cui questo può avvenire è di ordine di

grandezza più lenta della velocità a cui la pianta traspira.

Perché?

Perché è vero che la membrana cellulare ha un'elevata permeabilità all'acqua, e quindi

offre poca resistenza al passaggio dell'acqua consentendo un flusso veloce attraverso

se dovessi trasportare l'acqua in questa maniera dalle radici fino alla

di essa, ma

camera sottostomatica quante cellule dovrebbe attraversare l'acqua?

In un metro 10000 cellule, per attraversare 10000 cellule l'acqua dovrebbe

attraversare 20000 membrane. La resistenza di una singola membrana è piccola ma

se sommo una resistenza piccola tante volte ottengo una resistenza grande.

Sulla base di questi conti ottengo che è impossibile che l'acqua possa arrivare

alle foglie di una pianta che traspira per osmosi di cellula in cellula ad una

velcoità tale da compensare la velcoità di traspirazione.

Potrei pensare che l'acqua si muova per diffusione attraverso gli spazi extracellulari, in

questo caso non deve attraversare le membrane, o comunque lo farà poche volte.

(L'insieme delle pareti cellulari viene chiamato apoplasto, spazio di libera circolazione

per diffusione per le molecole finché non si trovano barriere impermeabili).

Anche nel caso della diffusione però la velocità a cui questa potrebbe avvenire dalla

radice alla foglia è di gran lunga troppo bassa.

Perché?

Perché, a parte il fatto che anche gli spazi dell'apoplasto possono mostrare una certa

la velocità di diffusione è inversamente

resistenza alla diffusione, il problema è che

proporzionale alla distanza, e qui la distanza è elevata. Dato un certo gradiente di

concentrazione della forza drenante la diffusione, il tempo per dimezzare questo

gradiente aumenta con il quadrato della distanza.

Se la distanza aumenta di 10 volte il tempo aumenta di 100. -9

Se tengo conto che il coefficiente di diffusione dell'acqua in acqua (fase liquida) è 10

metri quadrati al secondo:

Se invece di 100 micron mettiamo 10 cm:

Per un baobab di 100 metri ci vogliono 32mila anni.

Quindi anche la velocità di diffusione è troppo lenta. tessuti funzionalmente

Non a caso si sono evoluti i cosiddetti tessuti vascolari, ossia

deputati al trasporto di molecole sulle lunghe distanze e che in buona sostanza sono

dei sistemi di tubature.

Il tessuto vascolare attraverso cui l'acqua fluisce dalle radici, le cui cellule la

assorbono per osmosi, è lo xilema e in particolare sono le strutture dello xilema

chiamate vasi xilematici.

I vasi xilematici sono formati da delle pile di cellule che durante il differenziamento

muoiono, si svuotano, e le pareti trasversali vengono in larga misura digerite ed

assorbite. Sono quindi sostanzialmente uno spazio apoplastico circondato da cellule

vive del parenchima e dello xilema.

Questi tubi formati durante il differenziamento possono avere diametri variabili da 25

pareti cellulari particolarmente robuste, hanno

a 200 micron e hanno delle quindi

resistenza meccanica particolarmente elevate che permette di resistere a pressioni

modificate con deposizione di lignina.

positive/negative, e

Nei vasi xilematici il movimento dell'acqua avviene per flusso di massa. Ci

quando avviene la

deve quindi essere una differenza di pressione: a livello delle foglie

traspirazione succede che il potenziale idrico nella camera sottostomatica diventa

negativo, viene sottratta acqua dalle cellule che la sottraggono dallo xilema

provocando una tensione che fa aderire le cellule allo xilema.

Se vado a misurare il valore della pressione a cui è sottoposta l'acqua nei vasi

xilematici a livello della foglia ho dei valori negativi di circa -1/-0.8 MPa. A livello dello

xilema il valore è molto meno negativo. Vengono mantenute differenza di pressione

tra i due capi dei vasi xilematici dell'ordine di 5 atm.

Più alto è il gradiente di pressione e più alta sarà la velcoità del flusso.

Maggiore è il raggio del tubo e maggiore è la velocità.

Se prendo in considerazione le differenze di pressione, le dimensioni dei vasi xilematici

la velocità del

e il numero dei vasi xilematici presenti in un tronco, viene fuori che

flusso di massa, con quei gradienti di pressione che vengono mantenuti dalla

traspirazione, è del tutto compatibile con la velocità di traspirazione.

L'acqua può scorrere dentro a una pianta con velocità fino a 40 metri all'ora.

Più gli stomi si chiudono minore sarà la traspirazione e quindi minore sarà la

sottrazione dell’acqua dallo xilema da parte delle cellule che stanno intorno e quindi il

gradiente di pressione dei vasi e quindi la velocità e il trasporto dell'acqua attraverso i

vasi.

Se la pianta non trova più acqua nel terreno, cioè se il potenziale idrico del terreno è

molto negativo, non avremo assorbimento di acqua a livello delle radici, e questo farà

sì che il potenziale di pressione all'interno dello xilema nella radice diventi più

negativo, perché le cellule corticali tendono a rubarla.

Quindi il gradiente di pressione tra radici e foglie diminuisce, prima era 0.8 circa a 0.5,

ricevere meno acqua è un segnale che permette di

adesso sarà circa 0.8 a 0.7. Questo

chiudere gli stomi e diminuire la traspirazione.

Da una parte quindi la traspirazione genera richiamo di acqua, dall'altra

parte la disponibilità di acqua regola la traspirazione e in questo modo la

pianta cerca di mantenere la sua omeostasi, ossia un contenuto di acqua

costante al suo interno.

Questo sistema ovviamente non può funzionare in modo indefinito.

Come mai i vasi xilematici sono così piccoli? Hanno un diametro così piccolo?

Maggiore è la dimensione del vaso e maggiore deve essere anche la resistenza

meccanica per evitare che le pareti del vaso collassino sotto alla pressione

negativa che è di parecchie atmosfere.

Ci deve essere quindi un'ottimizzazione tra la velocità di trasporto ed evitare il

collasso dei vasi perché la resistenza meccanica delle pareti è limitata.

Se aumentano le dimensioni del vaso aumenta la velcoità del flusso ma

aumenta anche la possibilità che l'aria che è disciolta nella soluzione si separi e

faccia delle bolle.

Se si formano bolle piccole queste possono essere espulse dai vasi e inoltre

essendo piccole non interrompono il flusso, ma se fossero grandi il flusso

verrebbe bloccato.

I vasi in cui si formano bolle grosse di aria vanno fuori uso. Questo è anche uno

dei motivi per cui ogni anno viene prodotto un nuovo strato di floema e xilema.

La pianta supplisce alla piccola dimensione del raggio dei vasi

producendone tanti, così che nonostante le piccole dimensioni la

quantità di acqua trasportata sia proporzionale al numero dei vasi.

conifere hanno un habitus da xerofite:

Questo spiega perché le il trasporto

dell'acqua è meno efficiente perché nelle gimnosperme non c'è ancora la

separazione funzionale tra i vasi xilematici e le fibre (quelle cellule che

esercitano una funzione di sostegno e supporto ai vasi nelle angiosperme).

Nelle gimnosperme troviamo le fibrotracheidi, in cui le due funzioni di

sostegno e trasporto sono svolte dalla stessa struttura.

Le fibrotracheidi sono più strette delle trachee, quindi hanno un flusso minore,

più lento e inoltre le pareti trasversali non sono completamente riassorbite ed

offrono una resistenza.

Abbiamo detto che il flusso nello xilema è direzionale dalle radici alla chioma,

drenato dalla traspirazione.

L'acqua viene assorbita a livello dei peli radicali e poi dovrà essere scaricata

attraversare la banda del

nel cilindro centrale ma a questo punto dovendo

caspari. Quindi almeno a livello della banda del caspari avremo un passaggio

attraverso membrane.

Insieme all'acqua nello xilema si muovono i sali minerali che vengono

anch'essi assorbiti dalle cellule della zona assorbente della radice. Anch'essi

passano attraverso la banda del caspari nello xilema e vengono trascinati dalla

differenza di pressione insieme all'acqua. posto che la traspirazione è la forza

Su questa base si è a lungo ritenuto che,

drenante del flusso dell'acqua, la traspirazione fosse la forza necessaria per la

distribuzione dei sali minerali dalle radici fino alle foglie. In realtà si è potuto

dimostrare che non è così.

Si è fatto un esperimento con piante in condizioni di abbondante traspirazione,

e con piante mantenute in un ambiente con l'umidità relativa dell'aria al 100%

in modo da impedire la traspirazione.

Si è confrontato la quantità dei principali ioni minerali presente nelle foglie che

venivano prodotte dalle piante durante l'esperimento. E' chiaro che la

formazione di una nuova foglia richiede non solo nutrimenti organici ma anche

la presenza di ioni minerali.

Si è visto che il contenuto di ioni minerali delle cellule nelle piante che

traspiravano e quelle in cui non c'era traspirazione, era identico.

la distribuzione degli ioni minerali nella pianta non dipende

Il che significa che

dalla traspirazione e che quindi anche l'acqua assorbita era sufficiente anche

per le piante in cui non avveniva traspirazione.

Quindi c'è trasporto dalle radici alle foglie anche in assenza di traspirazione.

Questo flusso di massa che osserviamo in assenza di traspirazione, anche se

a stomi chiusi nella pianta funziona un sistema

più lento, è dovuto al fatto che

di circolazione a circuito chiuso fra xilema e floema.

Grazie ai flussi floematici e quelli xilematici anche in assenza di

traspirazione viene mantenuta una differenza di pressione (negativa) fra radici

e foglie. Questa differenza di pressione è molto più piccola di quella che si ha in

presenza di traspirazione, quindi anche la velcoità del flusso è molto più lenta,

ma non è nulla.

Come mai questo flusso più lento non costituisce un limite nella disponibilità di

ioni minerali nelle

foglie di una pianta che non traspira?

E' vero che acqua e ioni minerali viaggiano nello xilema come un corpo solo ma

vengono assorbiti e scaricati dentro lo xilema per vie diverse ed indipendenti.

penetra attraverso la componente lipidica della membrana o le

L'acqua

acquaporine e la velocità con cui viene assorbita e scaricata nello xilema è

funzione solo della differenza di potenziale idrico mantenuta tra interno ed

esterno e delle resistenze che incontra nella velocità del flusso.

assorbiti tramite l'attività di specifiche proteine

Gli ioni minerali vengono

sulla membrana delle cellule assorbenti della radice e vengono trasportati

attraverso la banda del caspari da altre proteine specifiche.

Quindi la velocità del flusso di assorbimento dell'acqua e la velcoità del

flusso di assorbimento degli ioni minerali sono indipendenti perché

quella degli ioni è regolata dalle specifiche proteine che ne permettono

l’assorbimento attraverso le membrane.

Nella pianta che traspira avrò flusso di acqua 100, di sali minerali 1 e

concentrazione di sali nel xilema bassa.

Nella pianta che non traspira avrò flusso di acqua 10, di sali minerali 1 e

l'acqua arriva più

concentrazione di sali nello xilema 10 volte più alta. Quindi

lentamente ma la concentrazione di sali è più alta quindi la quantità di sali che

arrivano alle foglie è la stessa di quando la velcoità è più alta.

L'assorbimento di ciascuno ione è mediato e regolato dall'attività di specifiche

proteine di trasporto, quindi il fatto che cambi la velocità di trasporto dell'acqua

non influenza l’assorbimento degli ioni. Influenza sì il loro trasporto in termini di

velocità, ma se trasporto più piano una soluzione più concentrata il

risultato è lo stesso.

Un'altra funzione importante della traspirazione è relativa al controllo della

temperatura.

Abbiamo detto che il fatto che le foglie siano esposte alla luce solare ed

assorbano l'energia luminosa (e il processo di trasformazione dell'energia)

comporta che una parte dell'energia assorbita venga di fatto dissipata come

calore. innalzamento della temperatura della foglia.

Questo comporta un

Quando la foglia raggiunge una temperatura superiore a quella dell'ambiente il

calore può essere disperso nell'ambiente, ma la dispersione avviene da corpo

più caldo a corpo più freddo. In stato stazionario la temperatura della foglia può

diventare anche più alta di molto di quella dell'ambiente.

La traspirazione è un sistema di dispersione del calore perché è vero che essa

avviene tramite rilascio di acqua allo stato di vapore ma questo rilascio

determina l'evaporazione dell’acqua che bagna le pareti delle cellule che

stanno intorno alla camera sottostomatica.

L'evaporazione dell'acqua è un processo endotermico, cioè che assorbe calore .

Quindi più una pianta traspira e più calore perde perché viene

assorbito durante il processo di evaporazione dell'acqua che poi viene

traspirata.

una foglia che si trova a dover chiudere gli stomi andrà incontro a un

Quindi

innalzamento della temperatura che può essere anche importante ed insidioso.

Una foglia che traspira riesce a mantenere più bassi i valori della sua

temperatura.

In certe condizioni una pianta coltivata molto ben irrigata può arrivare tramite

la traspirazione a far sì che la temperatura della foglia sia addirittura più bassa

della temperatura dell'ambiente.

La traspirazione quindi sostanzialmente è anche un termostato.

Esercitazione

1.

Con questi dati posso determinare la pressione di turgore quando si mette in

equilibrio con il terreno.

Ammettendo che siano in equilibrio avremo che il potenziale idrico della

cellula sarà uguale al potenziale idrico out.

Ma il potenziale idrico della cellula è uguale a:

E il valore che raggiunge la pressione di turgore quando in seguito a molta

pioggia il potenziale idrico del terreno diventata -0.1 MPa?

2.

La radice di una pianta è immersa in un terreno in cui la concentrazione di NaCl

è 0.4 M e nell'acqua del terreno è disciolto anche nitrato di calcio (CaNO3)2 10

mM.

Quale deve essere l'osmolarità del succo cellulare per mantenere una

pressione di turgore di 1 MPa?

In queste condizioni la radice è in equilibrio con l'ambiente esterno.

Come dovrà essere l'osmolarità del succo cellulare affinché la radice possa

assorbire acqua dal terreno?

Maggiore.

3.

L'osmolarità del succo cellulare è 0.7 osmolare.

Il potenziale dell’acqua nel terreno è -0.2 MPa

All'equilibrio qual è il valore della pressione di turgore?

Siccome misuriamo la componente di concentrazione del potenziale

 dell'acqua usando la concentrazione dei soluti la relazione non è come

logaritmica, ma lineare.

Siccome l'unità di misura per il volume è il metro cubo, se usiamo

 l'osmolarità il valore di R è 0,0083.

E' abbastanza evidente che la possibilità della pianta di assumere la CO2 e quindi di

equilibrare l'energia luminosa è fortemente influenzata dalla disponibilità d'acqua. La

disponibilità d'acqua è uno dei parametri che è definito dallo stato dell'ambiente, è

quindi una variabile ambientale.

Non è l'unico parametro ambientale che può essere limitante per l'attività fotosintetica

di una pianta.

E' abbastanza facile immaginare che la velocità di fotosintesi dipenda dall'intensità

luminosa (numero di fotoni incidenti per unità di tempo per unità di superficie),

all'aumentare dell'intensità luminosa aumenterà la possibilità che i centri di reazione

dei due fotosistemi vengano eccitati e quindi la velocità di fotosintesi, quindi la luce è

come se fosse un substrato della fotosintesi.

Un altro parametro ambientale importante per determinare la velocità di fotosintesi è

la disponibilità di CO2, in quanto substrato del processo.

Il terzo parametro ambientale, che è una variabile, è la temperatura.

influenza la velocità di

In parte potrà influenzare la velocità di fotosintesi perché

traspirazione e quindi la possibilità di tenere aperti gli stomi ed assumere CO2 , in

reazioni chimiche la cui

parte perché le reazioni chimiche che avvengono sono

velocità è fortemente influenzata dalla temperatura.

Quindi acqua, luce, disponibilità di CO2, temperatura sono tutti parametri ambientali

che possono influenzare la velocità di fotosintesi.

Quanto sono rilevanti i valori e le escursioni dei valori di questi parametri nel

determinare la velocità di fotosintesi in vivo delle pianta?

Questi parametri sono rilevanti nello stesso modo per piante che svolgono il

metabolismo fotosintetico secondo lo schema C3 piuttosto che per piante C4?

Ovviamente nel porci queste domande ci dobbiamo domandare perché la velocità di

fotosintesi è influenzata da questi parametri.

Per rispondere dobbiamo usare tutto quello che abbiamo imparato fino ad oggi sul

processo fotosintetico.

Quanto varia la velocità del processo variando uno dei valori di questi parametri

la forza di controllo di un

dipende anche da quanto valgono gli altri parametri. Quindi

parametro dipende dal valore degli altri parametri.

Per vedere come varia la velocità al variare di uno dei parametri devo tenere gli altri

Ma devo tenerli costanti a che valore?

costanti.

Ad es. l'illuminazione devo tenerla a costante a valori bassi o a valori alti?

Se voglio vedere bene cosa succede quando varia la CO2 devo mettermi in condizioni

per le quali la forza di controllo dipenda principalmente solo dal valore di CO2, sia

spostata verso di essa.

Se mi metto in condizioni di luce molto bassa la velocità della fotosintesi dipenderà

principalmente dall'intensità luminosa, e sarà bassa.

Quindi confrontare piano con pianissimo è molto più difficile e la forza del controllo

della CO2 in queste condizioni sarà molto bassa.

Questo ci dice che se voglio analizzare l'effetto del valore di un parametro

sulla velocità di fotosintesi devo mettermi in condizioni in cui il valore degli

altri parametri non solo è costante ma anche ottimale e tale per cui questo

valore non sia un limite alla velocità di fotosintesi. In queste condizioni la forza

di controllo sarà tutta spostata sul parametro che io voglio analizzare.

Questo è relativamente facile per la temperatura, per la disponibilità di acqua, per

l'intensità luminosa ma è un po' più problematico per la CO2.

Perché?

La CO2 atmosferica è un parametro ambientale e sappiamo che la concentrazione di

CO2 presente nell'aria è limitante per la rubisco.

Sappiamo che la Km della rubisco per la CO2 è di poco inferiore alla concentrazione di

CO2 in equilibrio con l'aria, il che significa che la CO2 ambientale non consente alla

rubisco di lavorare a Vmax, perché quando la concentrazione è uguale a Km la velocità

è uguale a 1/2 di Vmax. Quindi per lavorare a Vmax devo avere una concentrazione di

CO2 superiore a Km.

Sappiamo anche che la concentrazione di CO2 nell'ambiente è fondamentalmente

costante, quindi ho due opzioni per studiare gli effetti:

1. Una è quella di utilizzare la concentrazione di CO2 atmosferica, che mi dà

risultati più inerenti a quello che effettivamente succede a una pianta sulla

terra;

2. L'altra è quella di mettere la pianta in un'atmosfera artificiale con una

concentrazione di CO2 molto più alta in modo che l'attività della rubisco

non sia un fattore troppo limitante.

Gli esperimenti che analizziamo oggi sono fatti prendendo delle foglie di una pianta e

andando a misurare la loro velocità di fotosintesi tenendo ottimali e costanti i valori

dei parametri tranne per il valore della CO2 che sarà a una concentrazione

atmosferica o artificiale.

L'intensità luminosa quando non è la variabile la metteremo il più simile possibile a

quella della piena luce solare: 1000 micromoli di fotoni per metro quadro per secondo.

La temperatura sarà di circa 25°C.

In questo modo misuriamo l'effetto della luce sulla velocità di fotosintesi in quel

determinato momento.

Le condizioni di illuminazione in cui una pianta cresce infatti influenzano il

differenziamento dei cloroplasti.

Poi posso vedere come le condizioni di crescita influenzano la velocità di fotosintesi al

variare dei parametri.

Partiamo dalla luce.

o

Grafico in cui è riportato l'effetto dell'intensità luminosa sulla velocità di

fotosintesi misurata come micromoli di CO2 su metro quadro per secondo.

Le due piante analizzate sono una C3 (atriplex hastata) e una C4 (tidestromia

oblongifolia). Sono state scelte perché cresciute in ambienti differenti ma in cui

l'intensità luminosa prevalente, indicata dalle freccine, era simile.

vicina alla piena luce solare

Per tutte e due le piante l'intensità luminosa era .

Guardando il grafico la prima considerazione da fare è che in entrambe le

 piante la velocità di fotosintesi aumenta all'aumentare dell’intensità

luminosa.

Però guardando meglio si vede che le due curve sono abbastanza diverse.

Perché a intensità luminosa = a zero il valore dell'asse

delle y non è zero ma è negativo?

Perché la pianta respira ed emette CO2 invece di

assorbirla.

Se osserviamo la curva della pianta C3 vediamo che sono sufficienti intensità

 luminose molto basse affinché lo scambio netto di CO2 sia uguale a zero.

Il valore di intensità luminosa tale per cui lo scambio netto di CO2 è uguale a

zero (v fotosintesi = v respirazione) lo chiamiamo punto di

compensazione per la luce.

Vediamo che per la C3 questo valore è abbastanza basso e comunque

più basso che per la C4.

La seconda cosa che osserviamo nella curva della C3 è che la velocità di

 fotosintesi aumenta all'aumentare dell'intensità luminosa con un

tipico andamento di saturazione, cioè già a intensità luminose più basse

di quelle in cui la pianta è cresciuta praticamente la v di fotosintesi non

aumenta quasi più.

Cioè nella C3 l'intensità luminosa è un fattore limitante solo per

valori relativamente bassi di intensità luminosa rispetto all'intensità

luminosa prevalente dell'ambiente in cui vive. Se le dò più luce la velocità di

fotosintesi comunque non aumenta più.

Questo vuol dire che al di sopra di una certa intensità luminosa la velocità di

fotosintesi è limitata da qualcos'altro. E' limitata dal valore di un parametro.

Vedremo se è vero e quale può essere.

Guadiamo la curva della C4: vediamo che ci sono due grosse differenze rispetto alla

C3. La prima è che per intensità luminose basse l'aumento della v di

 fotosintesi all'aumentare dell'intensità luminosa è molto meno

ripido, cosicché il valore del punto di compensazione per la luce è più

alto che per la C3.

velocità di fotosintesi continua ad aumentare all'aumentare dell'intensità

La

 luminosa in tutto l'ambito di valori di intensità luminosa a cui è avvenuta la

misurazione, quindi la seconda differenza è che non è saturata.

Come mai a basse intensità luminose la C3 è avvantaggiata sulla C4?

Da cosa può dipendere?

Perché il costo energetico minimo per l'organicazione della CO2 in una C4 è

superiore a quello della C3 perché il sistema di rigenerazione del PEP ha un costo

energetico equivalente a 2 ATP perché la pyrPdichinasi utilizza ATP ma produce AMP.

Perché la situazione si capovolge, ossia la C4 è avvantaggiata sulla C3, quando faccio

misure ad intensità luminose elevate? Perché nelle C3 al di sopra di un certo valore di

intensità luminosa, se aumento il valore di intensità, la velocità di fotosintesi non

aumenta più e nella C4 sì?

La differenza fondamentale è che a basse intensità luminose il fattore limitante

principale dell'attività fotosintetica è l'intensità luminosa, quindi la velocità di

fotosintesi dipende quasi esclusivamente dalla velocità a cui può procedere la fase

luminosa. Man mano che aumento l'intensità la conversione dell'energia diventa

sempre meno rilevante e diventa più rilevante l'importanza della velocità della fase

oscura nel determinare complessivamente la velocità del processo.

Nella pianta C3 intensità luminose che saturano la velocità di fotosintesi

sono relativamente basse perché la velocità del processo è limitata dalla

velocità delle reazioni della fase oscura dell'organicazione della CO2.

Possiamo fare un esperimento per vedere se questo ha un fondamento?

Noi sappiamo che nelle piante C3 l'organicazione della CO2 è catalizzata

completamente dalla rubisco che ha una Km per la CO2 poco più bassa della

concentrazione di CO2 atmosferica e quindi in queste condizioni non può funzionare a

Vmax.

Se è così posso rifare l'esperimento variando la concentrazione di CO2, in un ambiente

in cui è più alta di quella atmosferica ed è una concentrazione saturante per la

rubisco.

Rifaccio l'esperimento in presenza di una concentrazione di CO2 nell'ambiente del 5%.

Nel caso della pianta C3 vedo che per intensità luminose molto basse non cambia

quasi niente. Aumentando di più di 100 volte la concentrazione di CO2 non cambia la

velocità di fotosintesi.

Ma man mano che aumento l'intensità luminosa a cui faccio la misura la velocità di

fotosintesi è più alta e anche nella pianta C3 non osservo fenomeno di saturazione, la

curva tende alla saturazione ma non è saturata in tutto l'ambito dei valori di intensità

luminosa che io ho analizzato.

Che conclusione traggo confrontando i due esperimenti?

Per la pianta C3 la velocità di fotosintesi è saturata da intensità luminose

relativamente basse perché già a intensità luminose relativamente basse la velocità di

fotosintesi è limitata dalla velcoità della fase oscura della fotosintesi, in particolare è

limitata dalla velocità a cui la rubisco è in grado di catalizzare l'organicazione della

CO2.

Perché non c'è nessuna differenza tra le due situazioni quando l'intensità luminosa è

molto bassa?

Perché la velocità di fotosintesi in quelle condizioni è completamente controllata dalla

velocità della fase luminosa, quindi anche se consento alla rubisco di andare più in

fretta essa non può farlo perché non vengono prodotti abbastanza in fretta ATP e

NADPH.

Perché invece la C4 non è saturata dall'intensità luminosa in nessuna delle due

situazioni di concentrazione di CO2 mentre la C3 in presenza di concentrazioni di CO2

atmosferica è saturata e in presenza di concentrazioni di CO2 più elevate no?

Perché anche se siamo in condizioni di concentrazione di CO2 nell'atmosfera elevate il

meccanismo di fotosintesi C4 fa sì che la rubisco espressa nelle cellule della

guaina del fascio operi sempre in condizioni di concentrazione di CO2 vicine

alla saturazione. una pianta C4 non

E' evidente dal confronto fra le due curve che abbiamo davanti che

ha alcun vantaggio su una pianta C3 in ambienti ombrosi, anzi. Mentre invece è

fortemente avvantaggiata su una C3 in ambienti fortemente illuminati.

Avere una velocità di fotosintesi maggiore sulle C3 in ambienti ad alta intensità

luminosa vuol dire che può crescere molto più fretta, che significa occupare un

territorio molto più in fretta, ecco perché le C4 hanno occupato solo determinate

nicchie.

Nel grafico c'è anche una terza pianta, alocasia macrorrhiza, cresciuta in un ambiente

completamente diverso, un sottobosco in cui l'intensità luminosa prevalente era molto

più bassa, meno del 10% di quella a cui erano cresciute le altre.

I valori delle velocità di fotosintesi per questa pianta erano completamente diversi.

Abbiamo un valore nel punto di compensazione per la luce bassissimo e velocità di

fotosintesi più alte per valori di intensità luminosa molto bassi, ma erano sufficienti

valori molto bassi di intensità luminosa per saturare il processo.

Il grafico di destra ci fa vedere un esperimento simile ma più "pulito" in cui

o viene misurato l'andamento della velocità di fotosintesi al variare

dell'intensità luminosa in due piante della stessa specie, una cresciuta

in un ambiente a bassa intensità luminosa e una cresciuta in un

ambiente ad alta intensità luminosa.

il valore del punto di compensazione per la luce

Anche in questo caso vediamo che

della pianta è molto più basso dell'altro.

cresciuta a bassa intensità luminosa

la velocità di fotosintesi aumenta con

Mentre nella pianta cresciuta ad alta luce

l'aumentare dell'intensità luminosa e poi tende a saturarsi , nella pianta cresciuta a

bastano intensità luminose basse affinché la pianta raggiunga il livello di

bassa luce

saturazione, che viene raggiunto a velocità di fotosintesi più basse.

L'attività fotosintetica dunque varia al variare delle condizioni in cui una

pianta è cresciuta.

Questo dipende dal fatto che la luce oltre ad essere un "substrato" della fotosintesi

influenza anche il differenziamento dei cloroplasti.

Anche l'intensità della luce, oltre alla qualità, influenza e modifica le qualità dei

cloroplasti.

Uno degli effetti principali si può osservare a occhio nudo, nel senso che se si va per i

boschi si vede che le piante che crescono all'ombra delle altre piante hanno foglie con

Come mai?

un verde molto più intenso. Sono più verdi perché sono presenti più

pigmenti, la concentrazione dei pigmenti fotosintetici è più elevata in queste

foglie.

Questo perché è più alta la concentrazione complessiva dei fotosistemi.

Il fatto di avere una concentrazione complessiva di fotosistemi e di pigmenti

fotosintetici più alta significa avere una assorbanza più alta perché l'assorbanza è

direttamente proporzionale alla concentrazione.

Avere un’assorbanza più alta vuol dire avere una maggiore capacità di

intercettare i pochi fotoni che arrivano, ossia aumenta il numero di

fotosistemi eccitati per unità di tempo.

A basse intensità luminose, quando la fotosintesi è altamente controllata dalla velocità

a cui può avvenire la fase luminosa, l'aumento della concentrazione di pigmenti e

avere una velocità di fotosintesi

fotosistemi consente alla pianta cresciuta in ombra di

molto più alta e un valore del punto di compensazione molto più basso.

Se la differenza fosse solo questa ci aspetteremmo che all'aumentare dell'intensità

luminosa le curve delle due piante diventino sempre più simili. Invece la pianta

cresciuta all'ombra a intensità luminose alte non aumenta la propria curva.

La ragione per cui la velocità di fotosintesi in queste piante rimane bassa anche se le

illumino con intensità luminose più alte è che queste piante producono poca rubisco.

Produrre poca rubisco vuol dire avere una bassa velocità/portata del processo di

organicazione della CO2.

E' vero che aumentando l'intensità luminosa potrebbe aumentare la velocità con cui

produco ATP e NADPH ma questi non possono essere utilizzati alla stessa velocità

perché c'è poca rubisco e quindi la reazione di organicazione della CO2 e di

produzione del PGA è lenta. produrre rubisco è un lavoro metabolico molto elevato,

Questo glielo fa fare il fatto che

e mantenerle, quindi immobilizzarle comporta grandi quantità di materia azotata.

Se una pianta cresce a intensità luminosa bassa, e costantemente bassa, la

produzione di maggiori quantità di rubisco non le darebbe nessun vantaggio. Quindi

risparmiare l'investimento di produrre quantità di rubisco che non gli servirebbero in

quelle condizioni costituisce per queste piante un vantaggio evolutivo.

Avere dei cloroplasti che hanno una grande capacità di intercettare la luce ma una

bassa capacità di utilizzare l'energia chimica convertita significa, per queste piante,

essere drammaticamente esposte alla fotoinibizione.

Se l'energia non viene utilizzata nell'organicazione del carbonio, nei cloroplasti

aumenta il rapporto ATP/ADP, nadp/nadph, ferredossinarid/ferredossinaox, il PSI non sa

a chi cedere i propri elettroni e così via e l'intero processo di fotosintesi viene

rallentato. Questo significa che la luce assorbita, se troppo elevata, non viene

processata ma assorbita in diversi modi che implicano la formazione di forme reattive

dell'ossigeno che vanno a danneggiare la struttura dei fotosistemi stessi.

Questi grafici ci fanno vedere come varia la velocità di fotosintesi nelle piante al

variare dell'intensità luminosa: generalmente all'aumentare dell'intensità

luminosa la velocità di fotosintesi aumenta.

Si può anche misurare come varia un alto parametro della fotosintesi al variare

o dell'intensità luminosa: come varia la resa quantica (CO2 assimilata/fotoni

assorbiti poiché = a lavoro fatto/energia assorbita) della fotosintesi al

variare dell'intensità luminosa.

Il valore max di resa quantica è circa 1/10. Questo valore lo misuro a bassi valori di

intensità luminosa.

Quando aumento l'intensità luminosa la resa quantica diminuisce.

Lo stesso tipo di esperimenti lo posso fare per analizzare l'effetto degli altri parametri

ambientali sulla velocità di fotosintesi.

Questo grafico ci fa vedere come varia la velocità di fotosintesi al variare

o della concentrazione di CO2.

Le freccine indicano i valori di concentrazione di CO2 intracellulare nel mesofillo che si

misura normalmente in una foglia di queste piante che sta facendo fotosintesi.

Possiamo vedere che sia che io prenda una C3 o una C4, ottengo due curve

 che hanno di simile che la velocità di fotosintesi aumenta

all’aumentare della concentrazione di CO2, ma che hanno anche

differenze.

Le differenze principali sono che:

a basse concentrazioni di CO2 la velocità di fotosintesi di una pianta

 C4 è molto più alta di quella di una C3, cosicché il valore del punto di

compensazione per la CO2 è molto più basso per la C4 che per la C3.

l'attività fotosintetica in una C4 si satura per concentrazioni di CO2

 di poco superiori o simili a quelle che normalmente si trovano nel

mesofillo fogliare, mentre la velocità di fotosintesi della foglia di una

C3 aumenta all'aumentare della concentrazione di CO2 e continua ad

aumentare se fornisco concentrazioni di CO2 più alte di quelle che ci

sono normalmente nella foglia e nell'aria.

in una C3 ben illuminata la concentrazione di CO2

Questo dato ci dice che

che ha a disposizione e che può avere a disposizione, data la concentrazione

è decisamente un fattore che limita la velocità di

di CO2 che c'è nell'aria,

fotosintesi, se ce ne fosse di più quindi potrebbe andare più in fretta.

Mentre per una C4 la disponibilità reale di CO2 non è un fattore

limitante, se anche ce ne fosse di più non andrebbe più in fretta. se

Questa differenza dipende anche dal fatto che: questo grafico ci fa vedere che

prendo la C3 e la metto in un'atmosfera priva o quasi priva di O2, l'andamento

dell'attività fotosintetica della C3 cambia drasticamente .

La C3 diventa più capace di utilizzare la CO2 atmosferica mai come una C4, ma

comunque più capace, quando riduco drasticamente la concentrazione

dell'ossigeno.

Aumentare la concentrazione di CO2 significa anche aumentare il rapporto CO2/O2, se

aumenta questo rapporto aumenta anche il rapporto tra velocità di carbossilazione e

tra velocità di ossigenazione e diminuisce il valore del flusso fotorespiratorio.

Diminuendo la concentrazione di O2 abbiamo sì diminuito la fotorespirazione

nelle C3, ma le C3 comunque non possono accumulare CO2 dove è presente

la rubisco quindi non raggiungono mai la stessa efficienza delle C4.

L'accumulo di CO2 nella guaina del fascio ha quindi due effetti:

1. sopprimere l'attività ossigenasica.

2. mettere la rubisco nelle condizioni di lavorare a Vmax per la CO2.

La resa quantica dipende dall'intensità luminosa: diminuisce all'aumentare

dell'intensità luminosa.

Un basso valore di resa quantica riflette il fatto che solo una piccolissima parte

dell'energia assorbita viene utilizzata per fare il lavoro di fotosintesi (= fissazione di

CO2).

Il valore della resa quantica dipende quindi dalla resa in CO2 fissata dall'energia

luminosa che viene effettivamente convertita in energia chimica.

Voglio vedere come varia la CO2 in relazione alla resa quantica: è evidente che

o l'effetto della disponibilità di CO2 sulla resa quantica nel processo fotosintetico

è completamente diverso tra le C3 e le C4.

Nelle C4 la resa quantica è indipendente dalla concentrazione di

 CO2, è massima già alla concentrazione di CO2 minima utilizzata.

La situazione è completamente diversa per le C3: la resa quantica

 massima è più alta che nelle C4 ma diminuisce drasticamente al

diminuire della concentrazione di CO2.

In presenza di concentrazioni di CO2 molto basse la resa quantica delle C3

è molto più bassa di quella delle C4, che però all'aumentare delle

concentrazioni di CO2 aumenta fino a superare quella delle C4. (Stessa cosa

del pezzo sopra, ha ripetuto due volte il concetto).

In condizioni normali di concentrazione di CO2 la resa quantica delle C3 e quella delle

C4 è invece piuttosto simile.

Da cosa dipende il fatto che la resa quantica diminuisce al diminuire della

concentrazione di CO2?

Al diminuire della concentrazione di CO2 aumenta il processo dissipatorio della

fotorespirazione.

Per vedere se è vero possiamo rifare le misure abbassando la concentrazione di

ossigeno. Se abbasso drasticamente la concentrazione di O2 anche nelle C3 la resa

quantica diventa indipendente dalle concentrazioni di CO2.

Perché la resa quantica massima ottimale di una pianta C3 è più alta di quella di una

pianta C4?

Perché il metabolismo fotosintetico C4 ha un consumo energetico superiore

dovuto alla rigenerazione del PEP.

Dipendenza dalla temperatura: parametro ambientale che è una variabile

o importante.

Sappiamo già che una delle ragioni per cui la temperatura in natura influenza la

velocità di fotosintesi è il fato che all'aumentare della temperatura tende ad

aumentare la velocità di traspirazione e questo costringe la pianta a chiudere gli stomi

per limitare la perdita di acqua.

Vogliamo sapere se questo è l'unico effetto che ha la temperatura sulla velocità del

processo fotosintetico anche se possiamo immaginare che non sia così perché

sappiamo che la temperatura influenza la velocità di tutte le reazioni chimiche.

Per evitare di mescolare l'effetto della temperatura sul processo fotosintetico con

l'effetto della temperatura sull'apertura/chiusura degli stomi e quindi sulla disponibilità

di CO2 faremo l'esperimento con un'umidità dell'aria alta e un terreno ben irrigato.

L'intensità luminosa sarà alta e le concentrazioni di CO2 ambientali.

Le C3 e le C4 hanno in comune un ramo ascendente e uno discendente :

all'aumentare della temperatura la fotosintesi aumenta fino a un massimo di

temperatura, e da questo massimo in poi invece la fotosintesi diminuisce. Ma

le due curve sono diverse tra loro.

Se guardiamo il ramo ascendente delle due curve vediamo che l'aumento di due o tre

volte dei valori per ogni 10 gradi di temperatura è lo stesso dell'aumento dei valori nel

ramo ascendente delle C4.

Mentre per le C3 la curva è molto più piatta, l'andamento è schiacciato, quindi la

dipendenza dalla temperatura è molto più bassa di quella che si osserva nella maggior

parte dei processi.

Se aumento ulteriormente la temperatura osservo che a un certo punto si ha

una diminuzione della pendenza dell'aumento fino a che aumentando

ulteriormente la temperatura la velocità di reazione della fotosintesi

diminuisce. Questo perché le proteine (enzimi) si denaturano, la loro conformazione

quaternaria e ternaria da cui dipende la loro attività catalitica "salta".

Quello che osserviamo nella zona di ottimo della temperatura per avere la velocità

massima non è il valore di ottimo per l’enzima.

Quindi la velocità diminuisce perché il valore di temperatura in cui ho la velocità

massima è un valore a cui il processo di denaturazione delle proteine è già iniziato. La

forma della curva è infatti la risultante di due effetti della temperatura sulla velocità di

reazione:

1. la temperatura aumenta la velocità di reazione;

2. la temperatura provoca la denaturazione delle proteine e quindi

diminuisce la concentrazione delle proteine attive.

Ho un valore di temperatura a cui ho la massima velocità di reazione che quindi è

ottimale per la velocità di reazione ma non per il processo di denaturazione. Questo

valore è la risultante delle due curve dei due effetti della temperatura.

La curva della C4 è una curva "normale": è una curva che descrive l'effetto della

temperatura su un processo metabolico sulla base dei due principali effetti della

temperatura sulla velocità delle reazioni catalizzate dagli enzimi. Anche il valore

dell'ottimo è un valore ragionevolmente plausibile per un enzima di pianta, cioè è

intorno a 45°, ossia valori di temperatura abbastanza alti anche per una pianta C4 a

cui piacciono i climi caldi. Il processo di denaturazione delle proteine indotto dalla

temperatura è quindi nullo o contenuto.

Torniamo alla C3, che ha una curva strana: il ramo ascendente di questa curva ha una

all'aumentare della

pendenza molto bassa, ossia la velocità aumenta poco

temperatura.

La max velocità di fotosintesi inoltre la misuro intorno a 25°C, cioè a temperature

molto più basse a cui una pianta può essere esposta anche in climi temperati.

Se l'ottimo di temperatura fosse spiegato dalla risultante dell'effetto della temperatura

sulla velocità e sugli enzimi vorrebbe dire che questi enzimi inizierebbero a denaturarsi

a 25°C gradi e quindi sarebbe necessario continuare a rifarli e non sarebbe plausibile

perché le C3 hanno colonizzato il 90% della superficie terrestre.

Quindi la stranezza della curva potrebbe dipendere dal fatto che all'aumentare della

temperatura aumenta il contributo del flusso fotorespiratorio, cioè aumentano sia la

velocità di carbossilazione sia la velocità di fotorespirazione, che aumenta un po' di

più. Quindi il rapporto tra velocità di carbossilazione e velocità di fotorespirazione

diminuisce.

Questo per due effetti: aumento della specificità della rubisco e diminuzione della

solubilità dei gas, soprattutto per la CO2 che diminuisce in modo più ripido di quella di

O2, quindi diminuisce il rapporto tra CO2 e O2.

Aumenta dunque il flusso fotorespiratorio e la fissazione netta di CO2 aumenta di

meno di quanto aumenti l'attività della rubisco favorente la fotorespirazione.

Come possiamo verificare se questa spiegazione è giusta?

Diminuendo la concentrazione di O2 o aumentando la concentrazione di CO2, ossia

mettendo la rubisco in condizioni di non poter svolgere l'attività

ossigenasica neanche nelle C3: otteniamo un normale andamento a campana

come nelle C4.

Quindi la spiegazione della denaturazione per le C3 non è vera, perché la stabilità

delle proteine alla temperatura nelle due piante è simile.

La differenza fra le due curve è presumibilmente quindi data dal fatto che le

C3 fotorespirano e le C4 no.

Un'ultima differenza tra queste curve è il fatto che a temperature molto basse la

perché?

C4 va più piano della C3,

Per due ragioni:

1. una è che ci sono alcuni enzimi del metabolismo C4 che sono molto

instabili a basse temperature, ossia non sono solo le alte temperature che

possono far saltare la struttura quaternaria/ternaria. Questi enzimi del

inattivati a temperature molto basse e quindi

metabolismo C4 vengono quindi

diventano dei fattori limitanti della velocità del processo.

2. La seconda ragione è che il metabolismo C3 svolge tutto quanto nella stessa

cellula e, almeno fino al ciclo di calvin, nello stesso compartimento cellulare.

Il metabolismo C4 invece si svolge in due tipi cellulari diversi e quindi

comporta un continuo flusso diffusionale di metaboliti da un tipo di cellula

all'altra. Se diminuisce la temperatura nel citosol la viscosità aumenta,

se aumenta la viscosità del citoplasma la velocità di diffusione dei

metaboliti diminuisce. Ecco un altro elemento che ci spiega perché queste

piante hanno colonizzato soltanto un certo tipo di ambiente.

Se andiamo a fare misure della resa quantica al variare della temperatura vediamo

che per le C4 la resa quantica è costante, mentre la resa quantica delle C3 diminuisce

all'aumentare della temperatura.

AMIDO E SACCAROSIO

Come vengono prodotti amido e saccarosio nel processo fotosintetico?

Dobbiamo anche andare a vedere poi come viene regolata la produzione di amido

piuttosto che quella di saccarosio.

Dal ciclo di Calvin si produce G3P.

I prodotti finali dell'organicazione fotosintetica però sono degli altri zuccheri che nella

maggior parte delle piante sono essenzialmente amido e saccarosio.

Se andiamo ad analizzare il contenuto di una foglia tra la notte e il giorno vediamo che

nel corso della giornata i cloroplasti si riempiono di granuli di amido e che i vacuoli si

"riempiono" di saccarosio.

La sintesi di amido

Nel corso della giornata nei cloroplasti cresce il numero e la dimensione dei granuli di

amido. Il che significa che l'amido viene sintetizzato all'interno dei cloroplasti

stessi (l'amido è insolubile, dove viene prodotto rimane).

L'amido che troviamo nei cloroplasti lo chiamiamo amido primario perché è un

prodotto diretto della fotosintesi.

L'amido che troviamo nei plastidi delle cellule non fotosintetiche (amiloplasti) è invece

l'amido secondario che non è un prodotto diretto dell'organicazione fotosintetica della

CO2.

Che cos'è l'amido?

Nel caso dell'amido, che è un polimero del glucosio, lo stereoisomero di glucosio

stereoisomero alpha.

utilizzato è lo

Nel caso dell'alpha-glucosio il legame che si crea tra le molecole del glucosio non è un

legame piatto che forma polimeri/catene lineari.

L'amido è il risultato della formazione di ulteriori legami fra il carbonio 1 di una

molecola di alpha-glucosio e carbonio 6 di un'altra molecola di alpha-glucosio. La

formazione di questi legami crea altri legami, legami 1,4 tra molecole di alpha-glucosio

= amilosio.

La forma, la struttura di un granulo di amido dipende dalla frequenza delle

ramificazioni e dalla lunghezza di esse, che è estremamente variabile fra un specie di

piante e l'altra, tanto che la forma dei granuli di amido è utilizzata come criterio

tassonomico. il primo substrato che è

Se l'amido è un polimero di alpha-glucosio è evidente che

necessario ottenere sono degli esosi, in particolare il glucosio.

In realtà le prime reazioni che portano alla sintesi dell'amido primario nei cloroplasti

sono alcune delle reazioni del ciclo di Calvin.

Questa reazione così com'è all'equilibrio sarebbe spostata verso sx, però abbiamo

visto cne nello stroma dei cloroplasti c’è la pirofosfatasi che catalizza l'idrolisi del

pirofosfato e questo fa sì che il PPi venendo continuamente sottratto trascina il flusso

della reazione verso ADPG.

ADPG è una molecola instabile, con un'energia di idrolisi elevata. E' il substrato

utilizzato dall'amilosio sintasi con amilosio/amido fatto da n unità di glucosio.

Si libera ADP e si forma il legame 1,4 fra il glucosio dell'ADPG e la molecola di amido

preesistente.

In questo modo si riescono ad allungare le catene.

Da dove viene il primo granulo di amido dal quale l'amilosio sintasi inizia non si sa.

Però l'amido nei proplastidi viene ereditato dalla madre.

Sintesi di saccarosio

Il saccarosio non viene sintetizzato all'interno dei cloroplasti, ma nel citosol. Questo

i prodotti del ciclo di Calvin passino dal cloroplasto al citosol.

implica che

Sulla membrana interna del cloroplasto il principale trasportatore è "il trasportatore

del fosfato", una famiglia di proteine le cui diverse isoforme differiscono per la

diversa specificità di substrato. Tutte sono in grado di riconoscere dei metaboliti

fosforilati come substrato e catalizzano lo scambio tra il metabolita fosforilato e un

elettroneutro,

fosfato. E' un trasportatore quindi la carica del metabolita fosforilato

deve essere la stessa di Pi quindi nel caso di PGA è l'acido fosfoglicerico.

Se nel cloroplasto aumenta la concentrazione di trioso fosfati possiamo

avere un efflusso nel citoplasma. Una volta che i trioso fosfati arrivano

una piccola parte di

nel citoplasma,

questi segue il flusso glicolitico fino

al piruvato (che entrerà nei

mitocondri e sarà substrato del

metabolismo respiratorio).

Buona parte delle reazioni del flusso

glicolitico sono reazioni

fisiologicamente reversibili, e la

direzione del flusso dipende soltanto

dalle concentrazioni reali di substrati

prodotti.

La G3P e il DOAP possono reagire fra

di loro a produrre fruttosio 1,6P nel

citosol.

A questo punto dovrebbe esserci la reazione per il passaggio a fruttosio 6P, ma la

fosfofruttochinasi,

reazione catalizzata dalla che utilizza ATP per fosforilare il fruttosio,

non è reversibile in cellula, il suo ∆G è sempre negativo nel passaggio a fruttosio1,6P,

quindi il passaggio da fruttosio 1,6P a 6P non può avvenire catalizzato da questo

enzima perché non si danno mai in una cellula viva le condizioni tali per cui possa

andare da fruttosio1,6P a fruttosio6P.

Tuttavia nel citoplasma è presente un altro enzima, la F1,6Pfosfatasi, il fruttosio1,6P

può essere defosforilato da questo enzima.

Nel citoplasma delle cellule fotosintetiche ci sono sia la fosfofruttochinasi che la

fruttosio1,6P fosfatasi.

La conseguenza potrebbe essere che se i due enzimi fossero attivi

contemporaneamente si avrebbe un ciclo futile dissipativo in cui la

fosfofruttochinasi consuma ATP per produrre fruttosio1,6P e la fosfatasi lo defosforila.

In realtà i due enzimi sono presenti entrambi nel citoplasma delle stesse cellule ma

sono tutti e due enzimi la cui attività catalitica è finemente regolata in modo tale che

quando è alta l'attività della chinasi è inibita la fosfatasi e viceversa. Questo minimizza

il ciclo futile.

Quindi nel citoplasma il fruttosio 1,6P può essere defosforilato a fruttosio6P.

Abbiamo poi altre reazioni reversibili per cui il fruttosio6P è in equilibrio di fatto con

glucosio6P che è di fatto in equilibrio con glucosio1P.

Il glucosio1P è substrato per un enzima simile a quello dei cloroplasti che nel

citoplasma però non utilizza ATP come quello dei cloroplasti, ma utilizza UTP.

Si ha la rottura del primo dei due legami anidridici dell'UDP con produzione di PPi e

l'UMP viene legato al P del glucosio1P con formazione di UDPglucosio.

L'UDPglucosio può reagire con una molecola di fruttosio6P e l’enzima

saccarosioPsintasi catalizza la reazione di formazione di saccarosioP.

Fra il carbonio aldeidico del glucosio e il carbonio chetonico del fruttosio nella molecola

del saccarosio i due gruppi carbonilici sono impegnati nel legame.

Questa è la ragione per cui il saccarosio è un zucchero non riducente: i due gruppi

carbonilici dei due monosaccaridi che lo formano, che sono quelli che hanno

maggiore propensione ad ossidarsi riducendo un'altra coppia, sono

impegnati nel legame e quindi non sono reattivi.

fosfatasi e H2O per ottenere saccarosio.

Sarà poi necessari l'intervento di una

I due processi di sintesi dell'amido nei cloroplasti e di saccarosio nel citoplasma sono

molto simili tra loro.

Avvengono sostanzialmente nello stesso modo.

Se guardiamo lo schema abbiamo 3 processi metabolici che competono per gli

stessi substrati.

I trioso fosfati possono restare dentro al cloroplasto ed andare a fare il ciclo di Calvin e

quindi rigenerare il substrato che consente di organicare altra CO2, oppure produrre

amido, oppure uscire nel citoplasma ed essere in maggior parte substrato per la

sintesi di saccarosio, in minor parte per la respirazione.

Siccome la fotosintesi non può procedere se 5/6 G3P prodotta dall'organicazione della

ci deve essere un meccanismo

CO2 non fanno il ciclo di Calvin rigenerando il ribulosio,

tale per cui le sintesi di amido e saccarosio possano evitare che la concentrazione dei

triosofosfati (fruttosio6P) nel cloroplasto possa diminuire così tanto da rallentare o

impedire completamente il flusso del ciclo di Calvin.

Dobbiamo capire quali sono questi meccanismi e poi da cosa dipende se il prodotto

finale del processo di organicazione fotosintetica della CO2 sarà amido o saccarosio, o

tanto amido e poco saccarosio, o viceversa.

Dobbiamo dunque analizzare come è regolata la velocità del processo di sintesi

dell'amido e come è regolata la velocità del processo di sintesi del saccarosio.

Per quanto riguarda la sintesi dell'amido l'enzima chiave nel determinare la velocità

della sintesi di amido nei cloroplasti è l'ADPG sintetasi, cioè l'enzima che catalizza la

reazione da glucosio1P ad ADPglucosio.

E' un enzima che viene attivato dai metaboliti fosforilati: PGA e F1,6P sono i

principali. questo enzima quindi si attiva solo

PGA e 1,6P sono due intermedi del ciclo di Calvin,

quando le concentrazioni degli intermedi del ciclo di Calvin aumentano al di sopra di

un certo valore.

L'ADPG sintetasi e quindi la sintesi di amido è attiva solo quando le concentrazioni

degli intermedi del ciclo di Calvin superano un certo valore all'interno del cloroplasto.

Questo fa sì che la sintesi di amido non possa competere con il ciclo di Calvin per

l'utilizzo degli intermedi.

La regolazione della sintesi del saccarosio è un po' più complicata.

Gli enzimi coinvolti sono la fruttosio1,6P fosfatasi e la saccarosioP sintasi.

La saccarosioP sintasi è fondamentalmente inibita da saccarosio e dal Pi, è

o invece stimolata dal glucosio6P.

Più la concentrazione di saccarosio nel citoplasma aumenta, più viene inibita la

sua produzione.

Il destino del saccarosio prodotto nel citoplasma è il trasporto nel vacuolo o il

rilascio dalle cellule del mesofillo al floema.

La concentrazione di saccarosio nel citoplasma non aumenterà finché la velocità

di produzione sarà uguale a quella del suo destino.

Se la velocità a cui viene prodotto supera le due velocità dei suoi destini la

concentrazione di saccarosio nel citoplasma aumenterà e quindi provocherà

l'inibizione della saccarosioP sintasi.

L'altro enzima chiave è la fruttosio1,6P fosfatasi.

o Questa è un'isoforma diversa rispetto a quella dei cloroplasti con caratteristiche

regolative diverse e peculiari.

Il principale regolatore dell'attività della fruttosio1,6P fosfatasi è uno zucchero, il

fruttosio2,6P.

E' uno zucchero che non entra direttamente in nessuno dei grandi processi

metabolici ma svolge, non solo nelle piante, un ruolo regolativo perché è in

grado di regolare l'attività di diversi enzimi. Uno di questi è la fruttosio1,6P

fosfatasi.

Il fruttosio2,6P è presente nelle cellule normalmente a concentrazioni molto

basse ma la sua affinità per le proteine che sono suo bersaglio è molto alta, per

è sufficiente che la sua concentrazione aumenti di poco affinché l'attività

cui

degli enzimi bersaglio venga drasticamente regolata . Nel caso della fosfatasi è

sufficiente un aumento da micromolare a 10micromolare affinché l'attività della

fosfatasi sia inibita.

Da cosa dipende la concentrazione del fruttosio2,6P?

Viene prodotto dall'attività di una chinasi che è diversa dalla fosfofruttochinasi,

che non attacca sul carbonio 1 ma sul carbonio 2 carbonilico utilizzando ATP come

substrato.

Viene degradato da una specifica fosfatasi.

C'è una chinasi che lo fa e una fosfatasi che lo disfa, la concentrazione del

fruttosio2,6P dipenderà dalla velocità di queste due reazioni.

Come è regolata l'attività di questi due enzimi?

Sono regolati fondamentalmente in modo opposto. Le condizioni che determinano

l'attivazione di uno dei due determinano l'inattivazione dell'altro:

a) La fosfatasi è drasticamente inibita da un aumento della concentrazione

del Pi libero nel citoplasma e del F6P.

b) La chinasi è attivata in queste condizioni ma in più è inibita da una serie

di intermedi fosforilati (3PGA, PEP, 2PGA, DOAP, PPi, fosfoglicolato - Il

metabolita che è più probabile che eserciti la sua azione in vivo, tenuto conto di

quelle che sono le sue variazioni di concentrazione e la sua affinità per la

chinasi, è il PGA).

Quando aumenta la concentrazione di uno di questi metaboliti fosforilati

aumentano tutte le altre di conseguenza per rimettersi in equilibrio fra loro.

Questo vuol dire che la chinasi verrà inibita solo quando, in seguito

all'attività del trasportatore del Pi che catalizza l'esportazione dei

metaboliti nel citoplasma, la concentrazione di questi metaboliti

fosforilati supera un certo valore.

1. Se si inibisce la chinasi e si attiva la fosfatasi la concentrazione del F2,6P

diminuisce

2. Ma il F2,6P è un inibitore della fruttosio1,6Pfosfatasi

3. Quindi se la concentrazione di F2,6P diminuisce la fruttosio1,6P

fosfatasi si attiva.

La fruttosio1,6Pfosfatasi sarà attiva quando ho un alto rapporto tra intermedi fosforilati

e fosfato libero e quando la concentrazione di F2,6P è bassa.

Quando aumenta il livello del F6P?

Quando viene inibita la saccarosio fosfato sintasi.

La F1,6P fosfatasi è attiva solo quando è alto nel citoplasma il rapporto tra intermedi

fosforilati a 3C e Pi libero purché sia attiva anche la fosfatasi che degrada F2,6P.

Affinché si abbia un flusso di sintesi del saccarosio bisogna che la concentrazione dei

trioso fosfati sia alta, ma il loro trasporto dal cloroplasto al citoplasma è un trasporto

passivo che funziona secondo il gradiente dei trioso fosfati e del fosfato.

Se la F1,6Pfosfatasi è inattiva anche il flusso di trioso fosfati sarà molto più

lento, se non si attivasse il flusso si fermerebbe. L'esportazione funziona come un

processo continuo solo se anche nel citoplasma la concentrazione è ancora

abbastanza alta.

La prima conclusione di questa analisi è che né la sintesi di amido né quella di

saccarosio sono in grado di utilizzare i trioso fosfati e gli intermedi del ciclo di Calvin al

punto tale da abbassarne le concentrazione nel cloroplasto in modo da rallentare il

ciclo di Calvin.

Solo quando la velocità di produzione dei trioso fosfati e degli intermedi nel ciclo di

Calvin fa sì che le concentrazioni di essi nel cloroplasto salgano sopra un certo livello si

può avere la sintesi di amido e saccarosio che competono con il ciclo di Calvin

utilizzando quelli prodotti in "eccesso".

Da cosa dipende se i trioso fosfati in eccesso vengono usati per fare amido piuttosto

che saccarosio?

Se si va a vedere cosa succede durante l'attività fotosintetica di una foglia si scopre

che all'inizio prevale la sintesi di saccarosio e poi piano piano nel corso della

giornata si vede aumentare la produzione di amido.

Questi fenomeni di regolazione si spiegano tutti sulla base di quello che abbiamo visto

sulla regolazione delle due vie. la comunicazione tra cloroplasto e citoplasma

Si spiegano tutti sulla base del fatto che

è essenzialmente mediata dal trasportatore del Pi , cioè avviene scambiando Pi con

metaboliti in modo tale che a seconda della direzione e dell'entità dei flussi catalizza

dal trasportatore non cambia la quantità di fosfato totale ma il rapporto tra intermedi

fosforilati e Pi libero.

Questo rapporto abbiamo visto che è fondamentale sia per regolare la velocità della

sintesi di amido, sia per regolare l'attività della F1,6P fosfatasi e quindi della sintesi di

saccarosio.

Quando il trasportatore porta fuori metaboliti fosforilati ad alta velocità sono condizioni

per le quali il rapporto tra metaboliti fosforilati e fosfato è opposto a quello del

cloroplasto.

Quando funziona bene una via quindi funziona male l'altra e viceversa. Il

trasportatore del Pi quindi non trasporta solo molecole ma anche

informazioni sui livelli dei metaboliti che regolano l'attività degli enzimi.

Nello stroma vengono prodotti trioso fosfati che possono fare da substrati per 3

processi metabolici: ciclo di Calvin, amido o sintesi del saccarosio con esportazione nel

citosol.

- La velocità della sintesi del saccarosio aumenta quando il rapporto

fosfato legato/Pi libero nel citosol è alto, viene inibita se c'è accumulo di

saccarosio.

La sintesi di saccarosio nel citosol può partire solo quando il rapporto Pi

legato/Pi libero supera un certo valore soglia.

- L'esportazione dei trioso fosfati continua solo se questi vengono

,

trasformati nella sintesi di saccarosio questo fa sì che la sintesi del

saccarosio non possa far abbassare la concentrazione degli intermedi nello

stroma al di sotto di un certo valore.

- La velocità della sintesi di amido richiede lo stesso rapporto alto ma

nello stroma.

Anche la sintesi di amido dentro lo stroma può partire soltanto quando

all'interno del cloroplasto il rapporto Pilegato/Pilibero è alto, quindi neanche

questa sintesi può sottrarre metaboliti al ciclo di Calvin.

Il rapporto varia in modo opposto nello stroma e nel citosol.

1. All’inizio della giornata quindi inizierà la produzione dei trioso fosfati che porterà

a un aumento della loro concentrazione nello stroma.

2. Conseguenza dell'aumento sarà che aumenta il rapporto Pilegato/Pilibero e

quindi i i trioso fosfati tenderanno ad uscire allo stroma verso il citosol.

3. Questa uscita farà sì che la concentrazione nel citosol tenda a salire, questa

salita va a determinare l'attivazione della Fr1,6Pfosfatasi e si innesca la sintesi

di saccarosio.

Finché la sintesi di saccarosio procede a una velocità tale per cui di fatto utilizza tutto

l'eccesso di trioso fosfati prodotti dalla fotosintesi, man mano che i triosi vengono

prodotti nello stroma continueranno ad uscire nel citosol. Quindi nello stroma il

Pilegato/Pi libero non sale più di tanto da attivare la sintesi di amido.

Se però la sintesi di saccarosio eccede la capacità di accumulo del vacuolo e

la capacità del floema di sequestrarlo, la concentrazione di saccarosio

tenderà ad aumentare nel citoplasma. viene inibita la

4. Se aumenta il saccarosio nel citoplasma allora

saccarosioPsintasi, quindi non vengono usati i suoi substrati, che tenderanno ad

accumularsi.

5. Il fru6P si accumula e questo attiva la produzione di fru2,6P.

6. Il Fru2,6P va ad inibire la fru1,6p fosfatasi e quindi i trioso fosfati non vengono

più trasformati.

7. Di conseguenza si accumulano anch’essi e non c'è più gradiente per il loro

efflusso. Quindi la loro concentrazione nel cloroplasto aumenta e si attiva la

sintesi di amido.

Sia per la sintesi di amido che avviene nei cloroplasti, sia per quella di saccarosio che

avviene nel citosol, il principale segnale di regolazione della velocità tra queste

due vie è il rapporto tra intermedi fosforilati e fosfato libero.

Questo tipo di regolazione ha delle importanti conseguenze.

In primo luogo è un sistema di regolazione che impedisce che sia la via di sintesi

dell'amido che quella del saccarosio siano in grado di competere per l'utilizzo dei

metaboliti rispetto al ciclo di Calvin.

Quindi impedisce che si possa avere un abbassamento delle concentrazione degli

intermedi del ciclo di Calvin nel cloroplasto tale da rallentare il flusso.

Che relazione c'è tra la velocità di sintesi di amido e la velocità di sintesi di

saccarosio?

Se teniamo presente che i principali scambi fra cloroplasto e citosol sono mediati dal

trasportatore del P che scambia questi intermedi con il fosfato inorganico il risultato è

che il rapporto tra intermedi fosforilati e P libero varia in modo opposto nei

due compartimenti.

Fin tanto che la sintesi di saccarosio nel citosol procede e quindi continua il flusso di

trioso fosfati verso il citosol, nel cloroplasto entra P, quindi il rapporto non diventa

abbastanza alto da attivare la sintesi di amido.

Non appena la produzione di trioso fosfati nel cloroplasto porta i livelli degli intermedi

a un livello tale per cui si instaura l'efflusso e questo porta a un aumento della

concentrazione di intermedi nel citosol e parte la sintesi di saccarosio, la sintesi di

amido non si innesta perché il rapporto nel cloroplasto non è abbastanza alto.

Durante la giornata man mano che il saccarosio viene prodotto viene trasferito nel

vacuolo e in parte rilasciato nel floema.

Fin tanto che il vacuolo non si è saturato di saccarosio e il grosso viene rilasciato dalle

cellule, la concentrazione di saccarosio nel citoplasma rimane bassa, e la sintesi di

saccarosio può procedere.

Però il vacuolo dopo un po' si satura e anche il suo trasporto nel floema può diminuire,

di conseguenza la concentrazione di saccarosio nel citoplasma aumenta, questo

inibisce la saccarosio fosfato sintasi e quindi la sintesi del saccarosio.

Ma se viene inibito questo enzima succede che i substrati che vengono utilizzati da

questo enzima (fruttosio6 e glucosio1p) tendono ad accumularsi. Questi metaboliti

sono in equilibrio fra loro e se si accumulano avremo che si ha un rallentamento anche

dell'attività della fosfatasi perché il fruttosio6p è un attivatore della chinasi che

produce il fruttosio2,6p e inibitore della fosfatasi.

Quando viene inibita la sintasi quindi viene inibita anche la fosfatasi.

Allora i trioso fosfati non verranno più trasformati alla stessa velcoità, e se rallenta

drasticamente la velocità alla quale vengono trasformati, allora rallenta anche

l'efflusso dei trioso fosfati (perché si accumulano).

Quindi questi restano nel cloroplasto dove aumenta la loro concentrazione e

diminuisce quella del fosfato libero. Queste sono le condizioni necessarie affinché

le condizioni in cui la sintesi di saccarosio è

si attivi la sintesi di amido. Ossia:

inibita nel citoplasma sono quelle che favoriscono la sintesi dell'amido.

Questo è il motivo per cui nelle prime ore della giornata è maggiore la

sintesi di saccarosio, che poi rallenta e aumenta la sintesi di amido.

Il trasportatore del P quindi agisce anche come un trasmettitore di informazione.

La velocità di fotosintesi sarà uguale quando prevale la sintesi di saccarosio o quando

prevale la sintesi di amido o sarà diversa?

Dipende un po' dalle condizioni generali di crescita della pianta, nel senso che in

parte dipende dalla disponibilità di fosfato:

a. Se c'è tanto fosfato, e quindi anche le concentrazioni di fosfato libero nelle

cellule possono essere più alte, la velocità è abbastanza indipendente.

la velocità dell'intero processo

b. Se però il fosfato disponibile non è tanto,

fotosintetico rallenta nelle condizioni in cui prevale la sintesi di amido.

In queste condizioni, quindi quando le concentrazioni di P sono minori, la velocità di

fotosintesi rallenta.

Perché?

Non è direttamente legata al flusso delle reazioni ma dipende dal fatto che nelle

condizioni in cui prevale la sintesi di amido rallenta la conversione

dell'energia luminosa in energia chimica.

Perché rallenta la conversione dell'energia luminosa in energia chimica?

I substrati per la sintesi di ATP sono ADP e Pi, ma quando prevale la sintesi di

amido dentro al cloroplasto c'è un alto rapporto tra intermedi fosforilati e P libero,

quindi significa che la concentrazione di P libero è bassa.

Può essere così bassa da rallentare significativamente la velocità a cui può funzionare

l'ATPsintetasi. un rallentamento anche nel ciclo di Calvin

Questo può comportare (ATP necessaria

come substrato per le fosforilazioni). Quindi o andiamo a uno stato stazionario oppure

la concentrazione di ATP nel cloroplasto tende a crollare.

Ma in queste condizioni rallenta anche l'intero trasporto di elettroni

fotosintetico.

Perché? Per due ragioni.

1. Una è che se rallenta il ciclo di Calvin rallenta anche la reazione che utilizza

NADPH (potere riducente), allora il rapporto NADPH/NADP tenderà ad

aumentare, quindi significa che diminuisce la concentrazione di NADP, quindi

diminuisce la reazione delle ferredossine ridotte e quindi aumenta il rapporto

diminuisce la concentrazione di ferredossina

ferredossina ridotta/ossidata,

ossidata che è il principale accettore degli elettroni .

2. La seconda è che il trasporto degli elettroni genera un gradiente elettrochimico

di protoni utilizzato dall'ATPsintetasi per fare ATP. Quindi la sua attività dissipa

Se rallenta l'attività

parzialmente questo gradiente generato dal trasporto.

delll'ATPsintetasi il gradiente aumenta. Questo aumento si riflette sul trasporto

degli elettroni perché se il gradiente aumenta troppo l'energia che si

libera nelle reazioni redox non basta per pompare altri protoni nel

lume dei tilacoidi.

Quindi quando la concentrazione di P diventa particolarmente bassa nel

 cloroplasto l’intero processo fotosintetico rallenterà.

L'altro giorno abbiamo ricordato che nel citoplasma delle cellule del mesofillo oltre alla

fosfatasi utilizzata nella sintesi di saccarosio, è presente anche la fosfofruttochinasi

che svolge un ruolo importante nel flusso glicolitico.

Una situazione di questo tipo è una situazione che potrebbe dar luogo a un cosiddetto

ciclo futile.

Cioè potrebbe dar luogo a un continuo ricircolo tra fruttosio6p che viene fosforilato

dalla chinasi e fruttosio1,6p che viene defosforilato dalla fosfatasi. Con il risultato di

consumare ATP a vuoto.

Quanto questo succede dipende dalla velocità a cui può fluire la reazione

catalizzata da uno dei due enzimi rispetto alla velocità a cui può fluire la

reazione catalizzata dall'altro.

Questo dipende dall'attività catalitica dei due enzimi e dalla loro concentrazione.

Se l'attività catalitica e le concentrazioni fossero simili, il ciclo futile avverrebbe

tantissimo.

Come può essere minimizzato?

Facendo in modo che la velocità a cui può fluire una reazione sia molto più alta della

velocità a cui può fluire l'altra.

Questo in questo caso è garantito dal fatto che sia la fosfatasi sia la fosfofruttochinasi

sono enzimi altamente regolati, cioè la loro attività è regolata in modo fine e forte.

Abbiamo infatti visto che sostanzialmente grazie al fruttosio1,6p la fosfatasi è attiva

quando il rapporto tra intermedi fosforilati e fosfato libero è alto nel

quindi quando le concentrazioni degli intermedi sono alte rispetto a

citoplasma,

quella del fosfato che è bassa.

Queste condizioni sono condizioni inibitorie per l'attività della

fosfofruttochinasi. L'attività della fosfofruttochinasi è regolata da diversi fattori con

l'interazione con diverse piccole molecole.

Ci basta dire che uno dei più potenti inibitori della fosfofruttochinasi è il PEP.

L'attività della fosfatasi è regolata soprattutto dal livello di PGA, ma quando sale il

livello di PGA sale anche il livello di PEP perché sono in equilibrio tra loro, e

questo è un segnale di inibizione della fosfofruttochinasi.

Di notte succede esattamente l'opposto: viene inibita la fosfatasi e si attiva la

fosfofruttochinasi e quindi possiamo avere il flusso glicolitico per l'ossidazione degli

zuccheri.

NUTRIZIONE MINERALE

Le piante sono autotrofe.

Sono capaci di produrre la materia organica a partire dagli elementi che la

costituiscono o dall'acqua.

Fino ad ora ci siamo occupati dell'autotrofia per il carbonio, ma la materia organica

non è costituita soltanto da carbonio. È costituita da diversi elementi chimici.

Oltre al carbonio ad esempio l'idrogeno e l'ossigeno e questi possono essere ottenuti

dalla CO2, dall'acqua, dall'aria.

Se pensiamo alle grandi classi di molecole organiche che costituiscono le cellule c'è

anche l'azoto, gli aa, le basi azotate, nucleotidi, acidi nucleici. C'è il fosforo, i

fosfolipidi, coenzimi. C'è lo zolfo, in alcuni aa.

Questi elementi sono i cosiddetti elementi essenziali.

Possono essere acquisiti soltanto dal terreno, eccetto l'azoto.

Le piante non sono in grado di utilizzare però l'azoto atmosferico per la produzione

delle molecole organiche azotate. Questo perché l'azoto molecolare è una molecola

estremamente inerte.

Nell'azoto molecolare i due atomi di azoto sono legati fra di loro da 3 legami covalenti.

L'energia che si libera quando si forma una molecola di azoto molecolare è enorme, il

che significa che è necessaria altrettanta energia per rompere questi legami.

Come vedremo ci sono dei microorganismi in grado di utilizzare l'azoto atmosferico e

azotofissatori.

trasformarlo in azoto ammoniacale, chiamati

La fonte più abbondante sulla terra di azoto è l'aria, ma per le piante l'azoto

atmosferico non è un substrato utilizzabile e quindi possono assorbire l'azoto

soltanto dal terreno nelle forme disciolte: azoto ammoniacale e nitrico.

Tutti questi elementi che la pianta ottiene dal suolo vengono chiamati anche

macronutrienti per distinguerli dai micro. La classificazione è basata essenzialmente

sulla concentrazione che questi hanno nella materia organica delle piante.

Fra i macronutrienti, oltre ai costituenti della materia organica, ce ne sono degli altri

che sono potassio, calcio, magnesio e silicio.

Questi non entrano nella formazione dei legami covalenti che costituiscono le

molecole organiche, ma sono assolutamente essenziali (la loro mancanza genera dei

disturbi, delle anomalie, sintomi) per le piante. La mancanza di ognuno di questi

elementi determina un proprio quadro sintomatico.

Tra gli elementi essenziali non ci sono solo macronutrienti, ma anche micronutrienti,

ossia elementi la cui quantità per grammo di peso secco può essere anche bassissima,

ma è essenziale.

Nella tabella invece i nutrienti non sono classificati in base a macro/micro ma in base

alle principali funzioni che svolgono nella pianta.

Nel gruppo 1 abbiamo i nutrienti che costituiscono le molecole organiche: oltre a

carbonio, idrogeno, ossigeno ci sono azoto e zolfo. nutrienti importanti per

Nel gruppo 2 abbiamo il fosfato, il silicio e il boro che sono i

la conservazione dell'energia e l'integrità strutturale .

Il fosfato infatti è uno dei costituenti dell'ATP, ma anche componente degli

 acidi nucleici, dei nucleotidi, dei coenzini, dei fosfolipidi ecc.

Boro e silicio sono importanti costituenti delle pareti cellulari, contribuiscono

 alle caratteristiche meccaniche della parete cellulare.

Nel gruppo 3 abbiamo potassio, sodio, magnesio, manganese, calcio e cloro,

nutrienti che rimangono in forma ionica

ossia .

Cioè elementi che non entrano tramite formazione dei legami covalenti nella materia

organica ma possono per esempio essere presenti sotto forma di ioni in soluzione,

quindi come cationi insieme ad anioni.

possono interagire direttamente con altre molecole organiche

Inoltre , in particolare

con le proteine e in questa maniera contribuire a stabilizzare la loro struttura

quaternaria o a modificare la sua conformazione attivandola o inattivandola.

possono svolgere un ruolo di regolazione dell'attività delle proteine

Oppure .

Il sodio ad esempio a concentrazioni elevate può andare ad inibire enzimi della

 glicolisi.

Il magnesio è essenziale per il fatto che è un costituente della clorofilla e per il

 fatto che è richiesto da molti enzimi implicati nel trasferimento di fosfato,

questo perché nelle reazioni che utilizzano ATP come substrato il vero substrato

non è ATP libera ma l'ATP complessato con il magnesio.

Il manganese è essenziale per il complesso che evolve l'ossigeno, e

 fondamentalmente gli ioni manganese formano le coppie redox. Può infatti

andare incontro a ossidoriduzione e come tale non entra solo nel complesso che

evolve O2 ma anche in diversi enzimi/reazioni che sono implicati in processi

ossidoriduttivi per le sue caratteristiche ossidoriduttive.

Il cloruro come il potassio svolge un ruolo importante in termini di

 concentrazione di molecole nelle soluzioni cellulari, quindi in termini di

osmolarità, ma è anche richiesto per il buon funzionamento del trasporto

fotosintetico di elettroni (capacità di interagire con proteine).

Il calcio sicuramente come il cloro e il silicio è importante nella costituzione e

 nel determinare le caratteristiche meccaniche della parete cellulare, in

particolare per quella componente che chiamiamo pectine (acidi

poligalatturonici).

E' importante nelle sue interazioni con le pectine nella parete cellulare perché questi

acidi sono formati da monomeri di acidi uronici, ossia acidi che sono

sostanzialmente zuccheri in cui il carbonio terminale è ossidato a CHO. Il calcio è uno

ione bivalente quindi può legare due CHO contemporaneamente formando ponti

legando insieme molecole di pectina conferendo maggiore resistenza meccanica.

Inoltre il calcio è fondamentale anche dentro le cellule, un po' perché può agire come

cofattore e poi perché agisce come un secondo messaggero nella regolazione

metabolica, nella trasduzione di segnali di regolazione.

E' un secondo messaggero coinvolto nella trasmissione di una varietà di stimoli e

segnali sia nelle piante che negli animali.

Le ragioni per cui il calcio si è affermato in questo ruolo di secondo messaggero nel

corso dell'evoluzione sono fondamentalmente due collegate tra loro:

la concentrazione di calcio libero di una cellula

1. Una ragione sta nel fatto che

deve essere mantenuta molto bassa affinché possa funzionare tutto il

metabolismo energetico basato sul trasporto del fosfato per fare e disfare ATP

perché il fosfato di calcio ha un prodotto di solubilità molto piccolo. il prodotto

Il prodotto di solubilità è una misura della solubilità dei sali, ossia

delle concentrazioni delle due componenti dei sali in soluzione.

Avere una prodotto di solubilità piccolo vuol dire essere un sale poco

solubile. La concentrazione di fosfato non può essere tanto piccola se il

metabolismo è basato sul suo trasporto, ma posso avere una concentrazione di

fosfato in soluzione dell'ordine del milli molare solo se la concentrazione di

calcio (sotto forma ionica - libero) è dell'ordine del micro molare. Se la

insieme

concentrazione di calcio aumenta calcio e fosfato precipitano

come fosfato di calcio e quindi non solo la concentrazione di calcio in

soluzione resterebbe bassa ma anche la concentrazione di fosfato si

abbasserebbe.

Posso avere una concentrazione elevata o media di fosfato in soluzione solo se

quella del calcio è bassa.

In condizioni basali la concentrazione di calcio cellulare è submicromolare.

Questo significa che è sufficiente un flusso relativamente piccolo di ioni calcio

affinché la concentrazione di calcio nel citoplasma aumenti. Questo significa che

basta un altro flusso piccolo in direzione opposta per abbassarlo. Quindi

variazioni importanti anche di 10 o 100 volte di calcio nel citoplasma possono

avvenire molto velocemente con flussi relativamente piccoli. Essendo questi

flussi relativamente piccoli anche il costo energetico è relativamente piccolo.

2. La seconda ragione è il fatto che ha una grande capacità di legarsi a

diverse proteine modificandone la conformazione e di conseguenza

l'attività.

Il calcio è un secondo messaggero implicato nella trasduzione di una varietà di

segnali per due motivi:

1. Da una parte per il fatto che la sua concentrazione nel citoplasma deve essere

controllata e mantenuta bassa perché altrimenti precipita il fosfato di calcio e

quindi il fosfato che è un elemento essenziale per tutto il metabolismo.

2. E poi perché il calcio ha un'affinità molto elevata per siti proteici ricchi di aa

acidi con il carbossile libero, e quindi può legarsi a queste proteine

modificandone la conformazione, e quindi l'attività biologica, già a basse

concentrazioni. -7

Il calcio in condizioni basali è a concentrazioni nell'ordine di 10 molare.

La sua affinità per le proteine suo bersaglio è nell'ordine del micromolare o del

è sufficiente che la sua concentrazione vari di poco

submicromolare, quindi per

passare da una situazione con proteine prive di calcio legato a una situazione con le

proteine bersaglio con legato il calcio.

Ovviamente questo richiede che l'affinità delle proteine per il calcio sia alta.

Queste proteine sono i sensori dell'aumento della concentrazione del calcio nel

citoplasma e possono essere responsabili del passaggio della risposta fisiologica.

chinasi calcio

Per esempio nelle piante c'è una famiglia proteica di chinasi chiamate

dipendenti che diventano attive quando legano il calcio e fosforilano i loro bersagli.

In molti casi però i sensori del calcio non hanno un'attività catalitica propria, non sono

proteine enzimatiche, ma cambiano e basta la loro conformazione acquisendo la

capacità di legarsi ad altre proteine, che sono i loro bersagli, modificandone l'attività.

La più famosa è la calmodulina, è una proteina piccola che contiene 4 siti di legame

per il calcio. Quando lo lega la sua conformazione cambia in modo drastico e assume

la conformazione in grado di riconoscere dei siti proteici presenti nelle sue proteine

bersaglio.

Il legame della calmodulina alla proteina bersaglio ne modifica l'attività.

Un esempio di proteina regolata dalla calmodulina lo vedremo più avanti.

Nella tabella c'è un quarto gruppo: gli elementi che ne fanno parte sono tutti

micronutrienti.

Ci fanno vedere perché anche un micronutriente può essere essenziale/indispensabile

per la vita della pianta. formare

In questo quarto gruppo sono raggruppati elementi caratterizzati dal fatto di

le coppie redox, sono quindi tutti coinvolti nei processi ossidoriduttivi del

metabolismo (trasferimenti di elettroni).

Sono, per cominciare, il ferro e il rame, importanti nel metabolismo redox.

Lo ione ferro è un elemento che conferisce caratteristiche ossidoriduttive ai

 citocromi, o ai nuclei ferro-zolfo associati a diversi complessi proteici.

Il rame entra in diverse proteine che hanno funzione ossidoriduttiva, quella di

 cui abbiamo parlato è la plastocianina che è l'accettore degli elettroni del

complesso dei citocromi e il donatore di elettroni che riduce il PSI.

Poi abbiamo lo zinco che entra in diverse deidrogenasi, a cui si associa e fa da

 trasportatore di elettroni durante il ciclo catalitico di queste proteine.

Questo lo fa anche il molibdeno, che ci interessa anche per il fatto che si

 associa a enzimi che sono coinvolti nella organicazione dell'azoto.

Tutto questo ci dice che per la vita di una pianta è necessario acquisire carbonio,

idrogeno e ossigeno che si possono assumere tramite l'acqua e l'anidride carbonica,

ma che è altrettanto necessario assumere, anche se in q.tà minori a seconda

dell'elemento, tutta una serie di elementi minerali senza i quali le piante non possono

vivere e svolgere le loro attività metaboliche correttamente.

Questa è la ragione per cui la carenza di uno di questi minerali determina l'insorgere di

mutazioni fenotipiche che sono i sintomi di questa carenza.

come le piante si procurano questi elementi e come possono

Dobbiamo capire

recuperare ed assorbire soltanto dall'acqua che bagna il terreno.

La struttura delle radici assicura tramite le sue ramificazioni e lo sviluppo della

cosiddetta zona assorbente dei peli radicali, un'elevata superficie di scambio tra la

pianta e il terreno in cui le radici sono immerse.

l'acqua può permeare anche per semplice

La differenza tra l'acqua e gli ioni è che

diffusione attraverso la membrana cellulare perché è una piccola molecola poco polare

la

e quindi può diffondere anche attraverso la componente fosfolipidica. Mentre invece

struttura della membrana è di per sé impermeabile a questi ioni che quindi possono

essere assorbiti solo se esistono, e vengono espresse sulla membrana delle cellule

assorbenti della radice, delle specifiche proteine capaci di catalizzare il trasporto di

questi ioni attraverso le membrane.

Da un punto di vista del meccanismo di funzionamento possiamo raggruppare le

proteine trasportatrici di membrana in due grandi gruppi: i canali e i carriers

(trasportatori).

sono proteine che attraversano la membrana completamente

Entrambe , la differenza

fondamentale è che i canali sono proteine la cui struttura forma un poro idrofilo, a

differenza della struttura della membrana, che a seconda della dimensione del poro e

dei residui aa che delimitano il poro, fa sì che attraverso il canale possa permeare un

determinato ione o tipologia di ioni.

I carriers invece sono delle proteine che hanno un funzionamento un po' più simile a

quello delle proteine enzimatiche.

Anche nei carriers affinché qualcosa possa passare si devono formare dei canali, però

si tratta di due semi-canali che portano a un sito di legame per il substrato.

un cambiamento conformazionale nel carrier

Il legame del substrato porta a tale per

cui il risultato è che il substrato può passare dall'altra parte.

Questo differente modo di catalizzare il trasporto di membrana ha dei riflessi sulla

cinetica di reazione che è funzione della concentrazione del substrato.

La cinetica per un canale in prima

approssimazione è lineare, mentre

in un carrier abbiamo una tipica

cinetica di saturazione dalla cui

analisi possiamo ricavare quei

Vmax

parametri che chiamiamo e la

concentrazione tale per cui la

velocità è 1/2 di Vmax (che

Km apparente.

assomiglia alla Km =

Questo parametro è uguale alla Km

nel senso che rappresenta la

concentrazione di substrato tale per

cui la v è uguale a 1/2 di Vmax, ma

non è detto che sia uguale a Km

nella sua natura di reazione

enzimatica. Nei carriers, soprattutto

nelle pompe, il meccanismo di reazione è molto più complicato e le costanti cinetiche

di cui si deve tener conto sono molte di più. Quindi dal punto di vista fenomenologico il

valore descrittivo è lo stesso della Km, ma non è la stessa cosa, per questo è chiamata

apparente).

L'altra differenza importante dal punto di vista cinetico è che il flusso attraverso il

poro di un canale può essere molto più veloce del flusso attraverso una

molecola carrier.

Il fatto che la velocità attraverso cui può fluire una molecola attraverso un canale sia

molto elevata è la ragione per cui lo stato di apertura dei canali è normalmente molto

regolato.

Se il canale fosse sempre aperto il substrato di quel canale si metterebbe sempre in

equilibrio a cavallo della membrana perché la portata è molto alta, questa è la ragione

per cui nel corso dell'evoluzione si sono affermate le porte che permettono di chiudere

i canali e quindi di controllare le concentrazioni di ioni tra i compartimenti cellulari.

Inoltre canali e carriers differiscono anche per altro: se si analizza un processo di

trasporto dal punto di vista termodinamico (= variazione di energia libera) e quindi si

misura la differenza di potenziale elettrochimico tra un compartimento e

l'altro, si possono avere due situazioni diverse:

1. ∆µ<0 il ∆G del processo è negativo quindi il flusso libera energia libera e il

 termodinamicamente spontaneo.

processo è

Un trasporto di questo tipo lo chiamiamo passivo.

2. ∆µ>0 in questo caso lo ione si muove contro gradiente elettrochimico, cioè lo

spostamento del substrato è contro gradiente elettrochimico, vuol dire che

viene fatto un lavoro. Questo significa che ci deve essere una fonte di energia

per fare questo lavoro. I trasporti che avvengono in questa maniera li

chiamiamo trasporti attivi.

Un canale può catalizzare solo trasporti passivi: se il canale è aperto il substrato

fluisce secondo il suo

gradiente elettrochimico.

I carriers invece possono catalizzare processi di trasporto passivi o attivi.

Un carrier passivo è ad es. il trasportatore del fosfato di cui abbiamo parlato.

I trasportatori attivi sono invece

quelle proteine di membrana che

accoppiano un processo di

trasporto contro gradiente

elettrochimico con un processo

esoergonico ( = una reazione

metabolica esoergonica).

sodio-potassio ATPasi

La è ad es.

una proteina che accoppia

l'idrolisi di ATP che libera energia

al flusso di sodio in una direzione

e di potassio nell'altra direzione.

Questa è anche una pompa

elettrogenica perché accoppia il

trasporto di carica netta.

l'ATPsintetasi

Anche dei

mitocondri e cloroplasti è una pompa ATPasica solo che in vivo catalizza la reazione

opposta (= formazione di ATP).

Le pompe le chiamiamo anche trasportatori attivi primari.

carriers che sono in grado di catalizzare il

Questo perché c'è un altro sottogruppo di

trasporto contro gradiente elettrochimico di un substrato.

Per farlo però non utilizzano direttamente l'energia metabolica come le pompe, ma

utilizzano l'energia che si libera quando uno ione pompato refluisce attraverso la

membrana secondo il suo gradiente elettrochimico.

Questi processi di trasporto li chiamiamo trasporti attivi secondari: la loro attività

dipende da quella della pompa che crea il flusso che favorisce l'energia necessaria al

trasporto.

Anni '60: sono stati prodotti una serie di esperimenti. presi i principali nutrienti

Il signore molto simpatico si è posto questa domanda:

minerali, la loro distribuzione tra la radice e l'ambiente esterno è attiva o passiva?

X è il nostro substrato di interesse, con una carica che può essere positiva o negativa.

Se voglio calcolare il valore del suo gradiente elettrochimico mi interessa la

componente di concentrazione e quella elettrica:

condizione di equilibrio,

Posso risolvere questa equazione per la ossia la condizione

per cui ∆µ = 0:

Eq. di Nernst = concentrazione di uno ione a cavallo della membrana in una

situazione di equilibrio.

Esiste una differenza di potenziale a cavallo delle membrane?

Esiste ed è il risultato della diversa velocità a cui si possono muovere diversi

ioni attraverso la membrana.

Questi flussi di ioni che determinano i diversi valori del potenziale a cavallo della

membrana possono essere flussi passivi e attivi.

Il signore simpatico ha misurato questi valori a cavallo della membrana delle cellule

vegetali. viene mantenuta una differenza di potenziale dell'ordine di 120-180

Si è osservato che

mV con l'interno della cellula negativo rispetto all'ambiente esterno .

Il valore della differenza di potenziale dipende da una serie di fattori come le

condizioni ambientali.

Se vado a misurare la differenza di potenziale a cavallo della membrana di una cellula

della radice e poi impedisco alla radice di respirare (usando ad esempio dei veleni che

sopprimono la respirazione mitocondriale) cosa succede al potenziale?

Si depolarizza drasticamente la membrana, e il potenziale diventa molto meno

negativo.

Questo vuol dire che al valore della differenza di potenziale a cavallo della

 membrana contribuiscono uno o più processi che dipendono dall'energia

metabolica. Quindi verosimilmente uno o più processi di trasporto attivo che

quindi richiedono energia per essere effettuati.

Il signore simpatico sapeva misurare la differenza di potenziale a cavallo della

membrana: ha preso delle piantine di pisello e voleva andare a vedere, per i principali

ioni minerali, se esponendo queste radici a una determinata concentrazione di

minerali i valori si mettevano all'equilibrio tra ambiente esterno ed interno.

Per farlo non ha messo le radici in terra, ma immerse in una soluzione.

Le ha incubate e poi ha misurato la differenza di potenziale a cavallo della membrana.

Poi ha estratto il succo cellulare (spremuta di radici) ed è andato a misurare le

concentrazioni degli ioni che gli interessavano nel succo cellulare.

Ha visto che anche a tempi diversi i valori erano uguali, quindi ha supposto che il

sistema fosse allo stato stazionario.

Ha usato poi la concentrazione out, che conosceva perché l'aveva messa lui, e il valore

per calcolare quale sarebbe stata la concentrazione

della differenza di potenziale

dentro la cellula se quello ione fosse stato all'equilibrio.

Immaginiamo una differenza di potenziale di -120 mV:

Ha poi confrontato la concentrazione reale con quella attesa se il sistema fosse

stato all'equilibrio.

Inoltre ha controllato anche il pH della concentrazione esterna, che è una misura

della concentrazione dei protoni.

Se guardiamo la tabella vediamo che tra le concentrazioni misurate e le

concentrazioni attese all'equilibrio c'è una grossa, a volte grossissima, differenza

tranne in un caso.

Un unico ione nelle condizioni di questo esperimento si distribuisce in modo tale da

mettersi all'equilibrio elettrochimico: il potassio.

Le concentrazioni di tutti i cationi analizzati sono decisamente più basse di

quelle attese all'equilibrio.

Nel caso del sodio circa 10 volte più bassa, nel caso dei protoni circa 50, nel caso del

magnesio circa 400, nel caso del calcio 2500 volte più bassa.

Questo cosa vuol dire?

in qualche modo le cellule sono in grado di escludere questi ioni,

Vuol dire che ma non

di escluderli completamente perché non sono permeabili, semplicemente sono in

grado di tenerli fuori in qualche modo.

Questo significa che esistono dei sistemi di trasporto attivo che sono in grado

di portare fuori gli ioni dalle cellule perché se ci fosse solo un trasporto di

tipo passivo tenderebbero a mettersi all'equilibrio.

Rifaccio l'esperimento avvelenando la respirazione mitocondriale e vedo che il

potenziale diminuisce ma anche la discrepanza tra le concentrazioni reali ed attese,

quindi capisco che c'è bisogno di energia metabolica per questo trasporto attivo.

Le concentrazioni di tutti gli anioni misurate sono molto più alte di quelle

nella membrana delle

attese all’equilibrio elettrochimico. Questo vuol dire che

cellule ci sono dei meccanismi in grado di fare il lavoro di portare dentro alle cellule

questi anioni contro il loro gradiente elettrochimico. Cioè il trasporto di tutti gli anioni

misurati è un trasporto attivo che avviene contro gradiente elettrochimico.

Questa tabella ci fa vedere anche il fatto che l'esistenza di una differenza di

potenziale negativo all'interno della cellula rispetto all'ambiente esterno

favorisce l'accumulo dei cationi all'interno della cellula.

Inoltre un catione bivalente all'equilibrio si accumula molto di più di un catione

monovalente. Se per la stessa differenza di potenziale quello mono si accumula 70

volte, quello bivalente si accumula più di 1000 volte.

L'opposto succede per gli anioni, la concentrazione d'equilibrio attesa all’interno

per un anione con differenza di potenziale negativa è molto minore, 74 volte

per un anione mono, di quella esterna.

La differenza di potenziale che viene mantenuta a cavallo della membrana di una

cellula vegetale dunque tende ad escludere gli anioni e favorire l'accumulo dei

Questo effetto è tanto maggiore quanto più è forte la carica dei cationi o

cationi.

degli anioni.

Esercizio Il potassio si accumula

100 volte nel citoplasma

rispetto

all'esterno.

E' come dire che per ogni 60 mV di differenza di potenziale negativo all'interno

avremo che all'eq. un catione monovalente come il potassio si accumula 10

volte.

E' abbastanza ovvio che se invece del potassio mi occupo del cloruro l'effetto sarà

uguale e contrario:

Se invece di uno ione monovalente prendiamo in considerazione uno ione bivalente

tipo il , cosa cambia?

calcio

Il valore di n: Per il calcio sono sufficienti 30 mV di differenza di

1

potenziale per dare una distribuzione di 10 .

Con -180mV avremmo un accumulo di calcio all'eq. di 1

milione di volte.

Il che è in contrasto con il fatto che la concentrazione di calcio nel citoplasma non

super mai in una cellula viva l'ordine del micromolare.

ci devono essere dei meccanismi in grado di escludere il calcio dal citoplasma

Quindi

anche se lui tenderebbe ad accumularsi.

Se torniamo all'esperimento che stavamo analizzando ieri i risultati ci dicono che di

tutti gli ioni analizzati l'unico che si distribuisce grosso modo come

all'equilibrio è il potassio.

Tutti gli altri hanno concentrazioni molto più basse nel caso dei cationi e molto più alte

nel caso degli anioni di quelle attese all'equilibrio.

Questi risultati ci possono dire anche qualcosa di più.

Prendiamo per esempio uno degli anioni: il solfato.

è presente nel succo cellulare analizzato a concentrazioni molto più alte di

Il solfato

quelle previste all'equilibrio il che significa che il trasporto del solfato all'interno delle

cellule è un processo che avviene contro gradiente elettrochimico e quindi è un lavoro

che richiede un input di energia. Allora possiamo usare questi risultati

per determinare quanto vale il lavoro

di trasporto del solfato.

Questo è rilevante da sapere perché

se viene fatto un lavoro di ad es.

100000 J per mol di solfato vuol dire

il meccanismo di trasporto

che

responsabile del trasporto del

solfato deve essere un meccanismo

che accoppia il trasporto del solfato

a un processo esoergonico (∆G

negativo) che fornisca almeno

100000 J per mol, quindi che ci dia la

quantità di energia almeno

necessaria per fare quel lavoro.

Sapere quant'è il lavoro fatto è importante perché mi dà delle informazioni per

identificare la fonte di energia utilizzata/necessaria per fare il trasporto/lavoro.

Questo esperimento ha due punti molto

deboli, che derivano da come sono state

effettuate le misure.

In questo esperimento la misura della

differenza di potenziale è stata fatta

infilando un elettrodo dentro alla cellula.

Questa potrebbe essere una buona misura della differenza di potenziale a cavallo della

membrana plasmatica se non ci fosse una differenza di potenziale a cavallo del

tonoblasto.

La differenza misurata con questa misura è uguale a:

Supponiamo:

L'elettrodo del signore simpatico era molto probabilmente nel vacuolo.

Inoltre per fare le sue misure delle concentrazioni all'interno della cellula aveva fatto

mescolamento del contenuto

una spremuta del succo cellulare. Questo però causa un

di tutti i compartimenti cellulari.

Allora, anche tralasciando gli organelli che sono presenti nel citoplasma (mitocondri,

reticolo, golgi ecc.), quello che venne mescolato era il citoplasma con il vacuolo.

In una cellula adulta il volume del citoplasma è circa 1/10 del volume del

vacuolo.

Avere mescolato il vacuolo con il citoplasma non sarebbe un problema se le

concentrazioni delle diverse sostanze fossero uguali all'interno del vacuolo e del

citoplasma. Però la natura dei soluti che contribuiscono all'osmolarità totale (che è

uguale invece) può essere molto diversa.

Supponiamo di avere un soluto che ha una concentrazione elevata solo nel vacuolo, ad

esempio = 100.

Nel citoplasma invece supponiamo sia essere = 1.

Quando mescolo un volume di citoplasma con 9 volumi di vacuolo (visto che sono in

rapporto 1/10) avrò: Se il soluto è presente

prevalentemente nel vacuolo, quello

che misuro quando faccio un succo

cellulare è fondamentalmente quello

che sta nel vacuolo. Sovrastimo quindi

quello che sta nel vacuolo.

Se viceversa ho un soluto che nel vacuolo non viene trasportato ed è presente solo nel

citoplasma, come un intermedio glicolitico, ho una situazione in cui:

Sottostimo in questo caso il valore del

soluto presente prevalentemente nel

citoplasma.

Le stime quantitative, quindi i valori delle concentrazioni misurate e le quantificazioni

nella stima più o

che ne derivano, del signore simpatico contengono dunque un errore

meno grosso a seconda degli ioni analizzati, che in qualche caso può essere davvero

molto grosso.

Nel corso degli ultimi 40 anni sono stati messi a punto diversi metodi che ci

consentono di misurare le concentrazioni almeno per alcuni ioni per lo meno

separatamente nel vacuolo e nel citoplasma.

Questi metodi sono di due tipi:

1. Uno è basato sempre su misure elettrofisiologiche, si possono utilizzare, in

elettrodi selettivi.

combinazione con un elettrodo che misura il potenziale, degli

Se infilo nella cellula contemporaneamente un elettrodo selettivo per i protoni e

uno per il potenziale, il primo misurerà contemporaneamente componente

elettrica e chimica, mentre il secondo misura solo quella elettrica, quindi posso

ottenere il valore della componente chimica.

Sono stati costruiti elettrodi fisicamente legati per evitare che finiscano in

compartimenti diversi.

2. Il secondo metodo è basato sull'utilizzo di indicatori che possano stare solo in

un preciso compartimento. Ci sono diverse tecniche e le migliori utilizzano

codificati geneticamente,

indicatori ossia trasformo la pianta facendole

esprimere una proteina che per come è stata costruita è un indicatore. Il

risultato è che almeno per alcuni, i principali, ioni siamo in grado di discriminare

tra la concentrazione nel citoplasma e la concentrazione nel vacuolo.

Consideriamo la situazione per lo ione calcio e per i protoni (ioni idrogeno).

Se ci occupiamo dei protoni, vediamo che per un pH di circa 5.5 nell'ambiente

extracellulare possiamo trovare un valore di pH simile nel vacuolo.

Nel citoplasma invece il valore del pH è molto più alto, oscilla tra 7.3-7.5 ed è molto

controllato perché variazioni del pH possono variare l'attività di diversi enzimi.

Se il pH nel vacuolo è più acido vuol dire che la concentrazione di protoni nel

vacuolo è più alta che nel citoplasma. Quindi la misura fatta nel succo cellulare

dal signore riflette quella del vacuolo.

esistono dei meccanismi che tengono la concentrazione di protoni

Resta però vero che

molto bassa nel citoplasma.

A cavallo della membrana plasmatica abbiamo una differenza di potenziale, in questo

i protoni tenderebbero ad accumularsi di circa 1000 volte

caso di -180mV, tale per cui

nel citoplasma rispetto all'ambiente esterno.

Invece nel citoplasma abbiamo una concentrazione di protoni circa 100 volte più

bassa rispetto all'ambiente esterno; il che significa che a cavallo della membrana

plasmatica c'è un gradiente elettrochimico che sequestra i protoni. i

Il vacuolo rispetto al citoplasma è positivo (circa di 20mv), il che significa che

protoni sarebbero all'eq. tra vacuolo e citoplasma se la loro concentrazione fosse più

bassa nel vacuolo rispetto al citoplasma.

Invece nel vacuolo è 100 volte più alta.

Questo significa che ci sono meccanismi che impediscono l'accumulo di protoni

non solo sulla membrana plasmatica ma anche sul tonoplasto, che sono in

grado di spingere i protoni contro gradiente dentro al vacuolo.

Per il calcio: la concentrazione misurata dal signore era sovrastimata.

Nel citoplasma, data la differenza di potenziale di -180mv, la concentrazione di calcio

all'eq. sarebbe un milione di volte più alta di quella esterna.

Mentre invece la concentrazione di calcio che viene misurata è 10000 volte più bassa

10

nel citoplasma rispetto all’esterno. C'è dunque un gradiente di grosso modo 10 volte.

Se confrontiamo citoplasma e vacuolo abbiamo che la concentrazione di calcio il

dentro il vacuolo è circa 10000 volte più alta di quella nel citoplasma ma

vacuolo è positivo rispetto al citoplasma quindi il calcio sarebbe all'eq. se la sua

concentrazione nel vacuolo fosse più bassa di quella del citoplasma . Questo però non

avviene, allora vuol dire che la cellula mantiene un gradiente elettrochimico di

calcio sia a cavallo della membrana plasmatica, sia a cavallo di quella

vacuolare.

Situazioni simili a queste due si possono verificare per tutti gli altri ioni di cui ci stiamo

occupando.

Di tutte le misure riportate nell'esperimento la più verosimile, vicina ad essere una

buona stima della concentrazione citosolica, come abbiamo detto è quella del

potassio.

Perché la concentrazione del potassio nel citoplasma viene mantenuta abbastanza

costante indipendentemente dalle condizioni di crescita della pianta? Perché la pianta

fa un lavoro per mantenere il potassio costante nel citoplasma?

Il potassio si lega a tantissime proteine perché il suo legame è necessario per attivarle.

Il potassio è anche una componente importante per l'osmolarità del citoplasma.

Quindi se varia il potassio varia di conseguenza l'osmolarità citoplasmatica,

oppure viene accumulato un altro soluto in quantità pari alla variazione del potassio.

sopperire, alla variazione di potassio non è possibile

Ma nel citoplasma, , perché la

natura dei soluti presenti nel citoplasma influenza i processi metabolici. Inoltre

varierebbe anche l'attività enzimatica.

Riassunto

Sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali, o attraverso di essa, l'unico ione

minerale per cui può essere sufficiente la presenza di trasportatori solo

passivi è il potassio.

Invece tutti gli altri ioni misurati, che sono i principali micronutrienti, necessitano

espellere i cationi e in grado di svolgere il

meccanismi di trasporto attivo in grado di

lavoro di accumulare gli anioni contro gradiente elettrochimico.

Inoltre abbiamo visto che al valore della differenza di potenziale che viene mantenuta

a cavallo della membrana contribuisce anche almeno un processo di trasporto attivo

elettrogenico, perché il valore del potenziale si depolarizza drasticamente se

inibisco/abolisco il metabolismo energetico cellulare.

per l'omeostasi cellulare sono altrettanto importanti le

E' anche chiaro il fatto che

proteine di trasporto che sono presenti sul tonoplasto (membrana vacuolare) che

consentono di sequestrare all'interno del vacuolo protoni calcio, o metaboliti, o

molecole tossiche per il metabolismo che vengono prodotte nel citoplasma ma lì non

possono accumularsi altrimenti avvelenerebbero il metabolismo.

Sulla membrana plasmatica quindi devono esserci meccanismi di trasporti attivi

elettrogenici che contribuiscono al valore della differenza di potenziale elettrico che

viene mantenuto a cavallo della membrana. L'unico catione che si distribuisce

secondo l'equilibrio elettrochimico è il potassio; per i principali cationi, in particolare

per il calcio, ci sono meccanismi di trasporto attivo che mediano l'estrusione di questi

ioni dal citoplasma contro gradiente elettrochimico. Più o meno negli anni '70 il

problema era identificare i meccanismi delle proteine di membrana responsabili di

questi processi di trasporto.

L’H ATPasi

+

La principale pompa elettrogenica delle cellule vegetali è una ATPasi che pompa

protoni; è una proteina che accoppia l'idrolisi dell'ATP, un processo esoergonico,

+

all'estrusione di protoni dal citoplasma verso l'apoplasto. L'H -ATPasi delle cellule

vegetali è una proteina che appartiene alla stessa grande famiglia di ATPasi a cui

appartiene la sodio/potassio ATPasi delle cellule animali. Questa superfamiglia è quella

delle ATPasi di tipo P, sono delle proteine che durante il ciclo catalitico in seguito

all'idrolisi di ATP formano un intermedio fosforilato, il fosfato che viene idrolizzato

dall'ATP non viene immediatamente rilasciato ma va a fosforilare un residuo di

aspartato della proteina formando un intermedio fosforilato. L'intermedio fosforilato

cambia conformazione, questo cambio fa sì che si chiuda un semicanale e se ne apra

un altro.

Il pallino nella conformazione verde, che sarebbe quella fosforilata, perde affinità;

queste proteine sono diverse da quelle mitocondriali e dei cloroplasti, le ATPasi sono

completamente diverse anche in termini di struttura. La subunità catalitica che è

quella conservata in questa famiglia di proteine è una grossa molecola che ha dieci

domini transmembrana e una testa catalitica che protrude nel citosol. Molte di queste

ATPasi non sono proteine multimeriche fatte da tanti polipeptidi messi insieme, ma

questa testa catalitica è l'unico polipeptide, l'unica subunità proteica. La

sodio/potassio ATPasi degli animali necessita altre due subunità che hanno un ruolo

accessorio e regolativo nello stabilizzare la conformazione.

L'H-P-ATPasi trasporta un protone verso l'esterno per ogni ATP che idrolizza; se noi

andiamo a vedere qual è il ∆G della reazione catalizzata da questa ATPasi sarà uguale

alla somma del ∆G di idrolisi dell'ATP più il ∆µ degli H+:

All'equilibrio ∆G=0, quindi ∆G = - ∆µ

ATP H+

Le piante posseggono numerose isoforme di H+ ATPasi che possono differire tra loro

per il tipo di cellule in cui vengono espresse, e anche in diverse condizioni ambientali.

Sono tutte abbastanza simili tra loro ma possiamo avere differenze nella regolazione

della loro attività; anche noi possediamo diverse isoforme di una stessa proteina ma

nelle piante questo fenomeno è amplificato ed importante: di H+ATPasi nelle piante ce

ne sono una dozzina, la domanda che uno si può porre è come mai nelle piante c'è

stato questo fenomeno di duplicazione genica, mutazioni su mutazioni che si

affermano. Questo fenomeno viene chiamato ridondanza, spesso è molto difficile

usare un mutante knock-out per definire il ruolo di una specifica proteina perché se ne

tolgo una ce ne sono altre 11 che fanno la stessa cosa, la pianta se la cava

egregiamente. Nelle piante questo fenomeno di ridondanza per duplicazione genica è

più ampio negli animali perché le piante non hanno la possibilità di spostarsi quando

l'ambiente diventa avverso, sono ancorate al suolo e quindi nel corso dell'evoluzione si

sono affermate le specie che avevano maggiore capacità di adattarsi all'ambiente. Le

piante sono molto più plastiche di un mammifero come noi, avere tante copie di una

stessa proteina ognuna sotto un promotore diverso è una componente importante

della plasticità. Ridondante vuol dire avere diverse possibilità di modulare l'estrusione

di protoni.

Le caratteristiche generali delle isoforme sono simili ma una avrà risposta più intesa,

un'altra avrà bisogno di diverse concentrazioni etc.

Guardare il grafico in alto a destra: è un modellino della struttura dell'H+ATPasi. Ha

dieci domini transmembrana e due grandi domini citoplasmatici che insieme formano

la testa catalitica della pompa.

Una caratteristica peculiare delle H+ATPasi di pianta è il fatto che il dominio C-

terminale dopo l'ultimo dominio transmembrana è citosolico come l'N-terminale ed è

piuttosto esteso: 102-103 amminoacidi. In altre può essere più corto. Questo dominio

è un dominio regolativo, non è direttamente implicato nell'attività catalitica ma è

regolativo, ha un'azione autoinibitoria. Significa che è in grado di interagire con la

testa catalitica e inibire la sua attività. Quando il dominio si stacca dalla testa

catalitica la pompa viene inattivata.

I segnali che fanno sì che il dominio inibitorio inibisca la testa sono diversi: il dominio

possiede un sito di legame a cui si possono legare delle proteine regolative che sono

ubiquitarie negli eucarioti; sono le 14-3-3. Le 14-3-3 non hanno attività catalitica,

hanno la capacità di legarsi a determinate proteine che sono i loro bersagli. Hanno per

il 99% una caratteristica in comune, il bersaglio si può legare alla 14-3-3 su

determinati siti solo se il sito è fosforilato. La loro struttura forma una specie di tasca

in cui si accomoda molto bene un amminoacido fosforilato; inoltre sono proteine

dimeriche, formate da due subunità dello stesso tipo legate tra loro. Ogni proteina ha

due tasche, può o legare la proteina in due siti diversi oppure può legare due proteine

diverse. Porta due proteine diverse ad essere complessate tra loro.

Queste caratteristiche messe insieme fanno sì che possano avere caratteristiche

svariate sull'attività delle proteine; nel nostro caso c'è un sito per le 14-3-3 ne l

dominio C terminale dell’H+ATPasi, un residuo di treonina che se viene fosforilato può

legare le 14-3-3. Questo legame impedisce la loro interazione con la testa catalitica e

determina l'attivazione con la pompa. La scoperta di questo meccanismo di

regolazione sono stati facilitati dal fatto che esiste una tossina prodotta da un fungo

che è in grado di stimolare, facilitare, stabilizzare il legame delle 14-3-3 delle ATPasi.

fusicoccina

La tossina è la e in sua presenza tutta l'ATPasi si trova nella forma attivata,

questo ci permette di caratterizzare bene l'attività della forma attivata. La fusicoccina

tra l'altro è stata identificata nell'università di Milano.

La H+ATPasi ha un ottimo di pH acido, molto più acido del pH nel citoplasma. Questo

fatto che all'aumentare del pH l'attività diminuisce in modo ripido è dovuto al dominio

C-terminale autoinibitorio: il primo fattore che regola l'attività inibitoria del dominio

C-terminale è proprio il pH. A pH acidi l'attività inibitoria non funziona, se il pH

aumenta l'attività inibitoria aumenta. Ha conseguenze fisiologiche importanti: è

importante che il pH venga mantenuto costante. L'attività di quasi tutte le proteine è

fortemente pH-dipendente quindi se salta l'omeostasi del pH è un disastro. I valori di

pH che ci sono nel citoplasma sono valori tali per cui sono sufficienti piccole variazioni

perché l'attività vari molto, se l'attività dell'HATPasi aumenta di molto, aumenta anche

la velocità con cui vengono cacciati fuori i protoni del citoplasma. La pompa può

contribuire in maniera importante a mantenere costante il pH nei citoplasmi.

Piccole variazioni di pH sono sufficienti per cambiare l'attività inibitoria del dominio C-

terminale.

Un primo fattore che regola lo stato di attività della pompa che regola l'azione

inibitoria del C-terminale è quindi il pH; guardare i grafici di prima, il primo fa vedere

come varia l'attività in base al pH.

Analisi della cinetica di reazione in funzione della concentrazione di ATP: riesco a

capire se l’attivazione deriva da un aumento di Vmax o Km apparente per il substrato.

Devo fare una sere di dosaggi e da quei dati posso tirar fuori Vmax e Km:

Per trovare Vmax e Km devo trasformare l’equazione di questa curva nell'equazione

della retta; il modo più noto è il sistema dei doppi reciproci o di Lineweaver-Burk.

Poiché la Km per la MgATP in condizioni fisiologiche è simile alla concentrazione di ATP,

se diminuisce la Km apparente aumenta la velocità di reazione. La velocità con cui la

pompa può estrudere protoni aumenta; l'aumento della velocità di estrusione di

protoni può essere molto forte, e in effetti se tratto il campione delle radici con la

fusicoccina e vado a misurare la velocità con cui estrudono protoni vedo un effetto

molto forte.

In pH fisiologici l'aumento di estrusione di protoni è dovuto alla diminuzione di Km e

all'aumento di Vmax.

Il ruolo della fusicoccina è quello di far saltare i meccanismi di regolazione dell'attività

della ATPasi ed aiutare il fungo nel suo attacco.

Sono numerosi i segnali endogeni od esogeni che possono influenzare lo stato di

fosforilazione della ATPasi con la 14-3-3; uno di questi è centrale nello stato di

apertura degli stomi e lo vedremo tra un po'.

La regolazione della H+ATPasi ha conseguenze in una varietà di processi fisiologici.

Questo è possibile anche perché in condizioni normali l'entità del gradiente

elettrochimico dei protoni che viene mantenuto è nell’ordine del 20kJ/mol; vuol dire

che il ∆G della reazione dell'ATPasi è molto negativo normalmente, l'ATPasi

normalmente lavora lontano dalle sue condizioni di equilibrio. Sono le reazioni lontane

dall'equilibrio quelle che regolano l'attività comportano variazioni importanti dei flussi.

L'attività dell'H+ATPasi è cruciale a cominciare dalla nutrizione minerale; guardare

l'istogramma che ho messo: se metto la fusicoccina ho il drammatico aumento della

velocità di estrusione dei protoni e anche la iperpolarizzazione del potenziale di

membrana, diventa più negativa di 30/40mV: aumenta sia la componete chimica (∆pH)

sia quella elettrica del gradiente di protoni. Se vado a misurare i flussi di altri ioni vedo

che anche le velocità di questi flussi cambiano in modo sostanziale.

Dal punto di vista termodinamico le cose tornano: il potassio si distribuisce

all'equilibrio elettrochimico, che è funzione del valore della differenza di potenziale:

più negativo è il potenziale dentro rispetto a fuori più il potassio tende ad accumularsi

dentro la cellula. Il fatto che tenda ad entrare non mi dice necessariamente che entra,

semplicemente aumenta la tendenza; sulla membrana delle cellule vegetali ci sono dei

canali permeabili al potassio.

Patch clamp: si forma un sigillo tra elettrodo e membrana cellulare; la differenza

fondamentale è che quando lavoro sulla cellula intera misuro la sommatoria delle

correnti di membrana e non so a

chi attribuirle, invece quando

lavoro nella configurazione in

patch dentro al patch che è

piccolo piccolo ci sono

pochissime copie dei miei canali

e posso riuscire a misurare la

corrente che passa attraverso la

singola proteina canale.

Le cellule vegetali intorno alla

membrana hanno la parete, non

possono fare il sigillo del patch

clamp, devo prima digerire la

parete e fare dei protoplasti.

Allora hanno fatto questo

esperimento:

Misero i protoplasti di

Arabidopsis a bagno in una

soluzione con concentrazione di

potassio uguale al citoplasma,

poi hanno imposto col voltage

clamp una differenza di

potenziale a cavallo della

membrana. Per ogni valore di

potenziale sono andati a misurare la corrente che passava. Dopodiché hanno preso i

valori della corrente che passava e li hanno messi in grafico in funzione del valore del

potenziale a cui avevano "clampato" i protoplasti. Un grafico di questo tipo ci serve ad

analizzare come varia la corrente al variare del potenziale. Se io ho un canale il cui

stato di apertura è indipendente dal potenziale, mi aspetto tra corrente e potenziale

una relazione lineare.

Nel secondo grafico non ho praticamente corrente per potenziali positivi, la corrente si

attiva solo quando il potenziale diventa negativo.

Terzo grafico: fenomeno di rettificazione, per i valori di potenziale intorno allo zero i

flussi sono nulli.

Nelle cellule vegetali sono presenti due tipologie di canali permeabili al potassio: dei

canali che si aprono solo quando il potenziale è più positivo del potenziale di equilibrio

del potassio e dei canali che si aprono quando il potenziale è più negativo del

potenziale d'equilibrio del potassio. Entrambe sono voltaggio dipendenti.

Nella terza cellula il livello di espressione delle due tipologie di canali è simile.

Lezione 31 24 maggio

Quando si aprono i canali del potassio per depolarizzazione fanno uscire il potassio,

invece i canali che mediano l'influsso del potassio nella cellula sono quelli che si

aprono per iperpolarizzazione.

Il vantaggio evolutivo sta nel fatto che lo stato d'apertura di questi canali non è

regolato solo dal potenziale ma anche in risposta ad altri segnali: pH, calcio etc e

quindi è possibile per la cellula regolare in modo molto più fine la velocità con cui il

potassio si muove. Se il potenziale è permissivo ma altri valori no rimangono chiusi sia

i canali d'entrata che d'uscita.

Ci sono numerosi fattori che possono regolare lo stato d'apertura dei canali e la

velocità del flussi. Questa possibilità di regolar lo stato di apertura dei canali di

potassio in base al valore di altri parametri vedremo che può essere molto importante

quando la concentrazione di potassio disponibile è molto bassa. Se la disponibilità di

potassio nell'ambiente esterno la concentrazione di potassio nella cellula non sarà più

-4

alta di tot. Se fuori ho 10 M di potassio, la concentrazione di potassio all'equilibrio nel

-2

citoplasma sarebbe 10 M; ma la contrazione di potassio nel citoplasma viene

mantenuta costante intorno ai 100millimolare; questa situazione può essere

mantenuta solo se i canali del potassio rimangono chiusi, se fossero aperti il potassio

uscirebbe; quindi avendo due tipologie di canali diversi che rispondono a regolazioni

diverse è vantaggioso per l'omeostasi del potassio nel citoplasma.

Il gradiente elettrochimico di protoni è importante nei processi di trasporto a cavallo

della membrana; è importante anche per un'altra ragione: il gradiente di sodio viene

utilizzato per i trasporti attivi secondari nelle cellule animali, l'H+ATPasi nelle cellule

vegetali svolge questo ruolo. Ci sono dei sistemi di trasporto coi protoni.

Esperimento storico:

L'esperimento è stato fatto col glucosio su una piantina acquatica che si chiama

Lemna gibba; è una piantina semplicissima. Hanno lasciato che la piantina si mettesse

in stato stazionario in una soluzione a composizione nota, poi hanno misurato il valore

di pH nella soluzione in cui era immersa e il valore della differenza di potenziale a

cavallo della membrana e le hanno fornito del glucosio. Ovviamente in un esperimento

parallelo era stato dimostrato che la pianta assorbiva glucosio; qui hanno visto che

come veniva fornito glucosio, si osservava una basificazione del mezzo di incubazione,

ovvero una riduzione della concentrazione di protoni nel mezzo di incubazione.

Contemporaneamente si aveva una drastica riduzione del valore della differenza di

potenziale a cavallo della membrana. Sia la riduzione della concentrazione dei protoni

del mezzo esterno che la depolarizzazione sono compatibili e coerenti col fatto che

all'assorbimento di glucosio sia accoppiato un influsso di protoni, che scompaiono dal

mezzo ed entrano nella cellula, ed essendo carichi determinano anche la

depolarizzazione del potenziale.

Come noi diamo il glucosio alla piantina è vero che si ha la depolarizzazione del

potenziale e l'acidificazione del mezzo, ma sono fenomeni transienti: il pH dopo un po'

torna al valore di prima e il potenziale pure. Si ha una drastica e rapida variazione del

valore del gradiente elettrochimico dei protoni che però poi abbastanza rapidamente

ritorna a un nuovo stato stazionario che non è molto diverso da quello di prima.

Questo fenomeno è dovuto al fatto che viene dissipato il gradiente; l'influsso dei

protoni acidifica il pH del citoplasma ma questi due fenomeni stimolano l'attività della

pompa H+ATPasi, aumenta la velocità a cui l'H+ATPasi estrude i protoni in modo tale

che se prima l'ATPasi andava a cento ma il trasporto di glucosio era spento ma ora il

trasporto del glucosio porta dentro più protoni, la pompa diventa più veloce e il flusso

netto torna a zero.

L'ingresso di glucosio ha generato una disparità tra velocità di ingresso e uscita dei

protoni, ma il cambiamento di pH e di depolarizzazione stimola l'H+ATPasi e tutto

torna normale.

Hanno fatto altri esperimenti per confermarlo ed è stato scoperto che in effetti è così.

Se pensiamo all'energetica è come dire che per ogni molecola di glucosio che entra,

per mantenere lo stato stazionario la pompa deve cacciar fuori un protone.

Il costo energetico quindi è 1ATP per ogni molecola di glucosio entrata: il trasportatore

di per sé non utilizza l'ATP, utilizza un gradiente che c'è già, ma può continuare a

funzionare solo se l'ATPasi pompa fuori i protoni, e lei consuma 1ATP per ogni protone

mandato fuori.

Questo vale per tutti i cotrasporti.

Sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali sono espressi una varietà di sistemi

di cotrasporto di diversi substrati coi protoni. Esiste una varietà di proteine che sono

cotrasportatori substrato-protone.

In questo schema sono indicati i substrati per categorie:

Esistono famiglie di cotrasportatori che riconoscono e trasportano gli zuccheri. Una

famiglia riconosce glucosio e fruttosio, l'altra il saccarosio, un'altra ancora ha come

substrati gli anioni.

Quindi questi sistemi di cotrasporto coi protoni possono essere fondamentalmente di

due tipi, e cioè possiamo distinguerli tra quelli che mediano i trasporti di protoni e

substrato nella stessa direzione, i simporti, o quelli che mediano il trasporto in

direzioni opposte, gli antiporti. Ad esempio se all'influsso di protoni è accoppiato

l'efflusso di sodio.

A seconda della natura dello specifico substrato e della stechiometria questi

meccanismi possono essere elettroneutri o elettrogenici.

Se un trasporto è elettroneutro il valore del potenziale della membrana non sarà

influenzato dalla sua attività. Un cotrasportatore protoni-zucchero è evidentemente

elettrogenico invece perché gli zuccheri sono privi di carica netta.

È evidente che l'energetica di questi trasportatori dipenda dal fatto se sono

elettrogenici oppure no; il trasportatore elettroneutro (sodio-protoni) potrà utilizzare

solo la componente chimica, la componente elettrica legata all'influsso dei protoni è

compensata dall'efflusso sodio, quindi l'energia disponibile per un trasporto di questo

tipo è soltanto l'energia chimica.

Il gradiente che genera il trasporto di glucosio è più grande; il glucosio genera anche

differenza elettrica, non solo chimica.

Altra categoria: trasporto anioni/minerali.

Simporto di cloruro e protoni

Se per ogni cloruro si muovono due protoni però la situazione cambia, guardare le

aggiunte in verde. L'energia per trasportare il cloruro contro gradiente è molto di più,

posso avere degli accumuli contro gradiente elettrochimico degli anioni molto più

forti.

Potremmo andare avanti: il solfato ha due cariche negative, alcuni trasporti hanno

stechiometria di 3protoni per ogni solfato quindi il discorso si complica e l'energia

coinvolta è maggiore.

Il gradiente mantenuto dalla H+ATPasi quindi è la driving force.

Poi abbiamo una famiglia di trasportatori che possono utilizzare come substrati gli

zuccheri, il trasportatore del glucosio e del saccarosio che sono elettrogenici. Abbiamo

poi dei trasportatori per gli amminoacidi (diverse famiglie che riconoscono diverse

tipologie di amminoacidi). Abbiamo sistemi di cotrasporto coi protoni in simporto che

sono importanti per gli ormoni vegetali. Abbiamo citato l'antiporto sodio/protoni:

questo sistema è importante per mantenere bassa la concentrazione di sodio del

citoplasma.

Le alofite riescono a mantenere negativo il potenziale osmotico accumulando grandi

quantità di NaCl nel vacuolo. Nel caso delle alofite se accumulano 100mmolare di

sodio nel vacuolo e lo tengono 10millimolare nel citoplasma vuol dire che il sodio entra

attraverso la membrana però viene cacciato nel vacuolo. La capacità di accumulare il

sodio nel vacuolo è tipica delle alofite, delle piante che crescono negli ambienti ad alta

salinità. La funzionalità di questo sistema di trasporto è un elemento per determinare

la tolleranza di una glicofita dell'aumento di salinità dell’ambiente esterno. Più è

espresso, attivo ed efficace questo sistema più tollerante sarà la pianta.

C'è il disegno di un'ultima tipologia di trasporto: è un meccanismo di simporto

elettrogenico perché accoppia all'influsso di protoni all'influsso di potassio. Questo

trasportatore è attivo solo in determinate condizioni, ma in quelle condizioni è molto

importante. Sono le condizioni in cui la concentrazione di potassio nell'ambiente

esterno se siamo nelle radici è molto bassa. È necessario il mantenimento di una

concentrazione di potassio costante nel citoplasma, se la concentrazione esterna è

molto bassa il potassio può essere assorbito contro gradiente elettrochimico grazie

all'attività di questo trasportatore, che sfrutta l'energia che si libera dal gradiente dei

protoni per drenare l'assorbimento di potassio.

Ci manca il calcio: abbiamo visto che le concentrazioni di calcio del citoplasma nel

vacuolo sono tali per cui è evidente che il calcio può entrare nelle cellule perché si

accumula nel vacuolo a concentrazioni più che discrete, ma è anche evidente che ci

sono dei meccanismi che consentono di mantenere concentrazione citoplasmatica di

calcio molto basse rispetto a quelle che sarebbero le concentrazioni in una situazione

di equilibrio elettrochimico.

Questo è possibile perché sulla membrana plasmatica sono presenti diversi tipi di

trasportatori per il calcio e sulla membrana vacuolare anche. Sulla membrana

plasmatica sono presenti due tipi di proteine che mediano il trasporto del calcio: dei

canali ionici permeabili al calcio ed è evidente che questi canali per il calcio hanno

tutti una caratteristica, se la concentrazione di calcio è mantenuta così bassa e ci sono

diversi canali attraverso cui il calcio tende ad entrare con un gradiente che favorisce

l'influsso molto forte, una condizione necessaria per mantenere le concentrazioni

basse è che lo stato d'apertura sia finemente regolato.

Sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali è presente anche un tipo di trasporto

attivo del calcio che media l'estrusione del calcio dal citoplasma verso l'ambiente

esterno; è una calcio ATPasi. È parente stretta di quella degli animali; entrambe

appartengono alla famiglia di ATPasi di tipo P. Hanno in comune il meccanismo di

trasporto e i principali meccanismi di regolazione. Il meccanismo di trasporto è un

meccanismo di scambio calcio-protoni. Buttano fuori calcio in scambio con protoni che

fluiscono dentro la cellula. Quanti protoni non siamo sicuri, alcuni dati dicono 1

protone per ogni calcio, altri dati 2 protoni per ogni calcio. È un problema ad oggi

irrisolto. L'energetica del trasporto cambia se sono un protone o due protoni.

Nelle cellule vegetali il fatto che queste pompe scambino calcio coi protoni fa sì che

l'energia disponibile per cacciar fuori il calcio sia non solo quella che si libera

dall'idrolisi di ATP ma anche quella che si libera dall'influsso dei protoni. È come se

fossero contemporaneamente una pompa ma anche un cotrasporto perché il secondo

substrato sono i protoni pompati dall'altra pompa. Questa caratteristica è quella che fa

sì che la calcioATPasi delle cellule vegetali sia effettivamente in grado di cacciar fuori il

calcio avendo un ∆G negativo in tutte le condizioni.

Il contributo termodinamico dell'influsso dei protoni è determinante a far sì che questa

pompa sia in grado di cacciar fuori il calcio a livelli compatibili con le funzionalità

metaboliche. Se i canali fossero sempre aperti avremmo un ciclo futile allucinante,

tutto l'ATP servirebbe per cacciar fuori il calcio che entrerebbe. I canali del calcio ci

sono ma il loro stato d'apertura è finemente regolato, il loro stato prevalente è quello

di essere chiusi. Anche le attività delle calcio ATPasi sono finemente regolate. Quando i

canali del calcio sono chiusi è sufficiente una attività bassa della calcio ATPasi per

mantenere costante la concentrazione di calcio nel citoplasma.

Ma il calcio fa da secondo messaggero per una serie di stimoli, l'innalzamento è

dovuto dal fatto che questi stimoli determinano l'apertura dei canali permeabili al

calcio. Il calcio entrato in seguito all'apertura dei canali deve venir ricacciato fuori. Se

lo stimolo ha ridotto l'apertura del canale sulla membrana plasmatica richiede un

cambiamento dell'attività catalitica della calcio ATPasi. Dopo che lo stimolo ha indotto

l'apertura dei canali ionici il ri-raggiungimento dell'omeostasi richiede un aumento

drastico dell'attività della calcio ATPasi.

I meccanismi di regolazione dell'attività sono diversi ma ne vediamo uno solo;

fondamentalmente sono tutti riconducibili alla regolazione della azione autoinibitoria

di un dominio della proteina.

La caratteristica di cui parlavamo ieri per regolare l'attività della pompa è dovuta al

dominio C-terminale. Anche le calcio ATPasi della membrana plasmatica hanno un

+

dominio terminale tipo quello dell'H ATPasi che ha un'azione autoinibitoria. Però

l'attività autocatalitica delle piante sta all'N-terminale. Quando questo dominio

interagisce con la testa catalitica l'attività della pompa è bassa, l'attività autoinibitoria

della calcio ATPasi è regolata dalla calmodulina. Ne abbiamo già parlato, è una

piccola proteina regolativa che è capace di legare il calcio. Lega quattro calci per ogni

molecola di calmodulina, che è semisaturata dal calcio intorno al µmolare, quando è

legata al calcio cambia la sua conformazione e si lega a determinate sequenze che

sono presenti nelle sue proteine bersaglio. Quando la calmodulina si lega alla

calcioATPasi la sua attività aumenta anche di dieci volte.

Senza la calmodulina la pompa funziona poco; arriva un segnale che determina

l'apertura dei canali del calcio nel citoplasma e succede che in seguito all'aumento di

concentrazione la calmodulina tende a legare il calcio, si mette nella conformazione

con quattro calci legati che è la conformazione attiva della calmodulina. Quindi se la

calmodulina è in forma attiva si lega al dominio autoinibitorio della calcio ATPasi,

aumentandone l'attività. Il calcio che era entrato nel citoplasma può essere cacciato

fuori. Gli aumenti della concentrazione di calcio citoplasmatica indotti dagli stimoli

sono transienti, aumenta ma poi torna giù; a seconda dello stimolo possono avere

entità diverse ma anche un andamento nel tempo diverso.

Può aumentare in modo molto diverso, a seconda dell'attività dei diversi tipi dei flussi

potremo avere delle forme diverse in queste transienti di calcio e queste forme sono

tipicamente associate a ciascuno stimolo, ed ecco come un organismo può usare il

calcio come secondo messaggero per stimoli diversi. Il calcio aumenta ma diversi

aumenti attivano diverse risposte. La pianta è in grado di capire se quell'aumento è

stato indotto dalla ferita, dal freddo, dalla mancanza d'acqua etc. la pianta è in grado

di distinguere quale sia lo stimolo proprio dall'andamento temporale che hanno questi

transienti di calcio. La regolazione della attività dei canali ionici permeabili al calcio e

dei sistemi di trasporto attivo è fondamentale anche nella risposta agli stimoli.

È chiaro che il meccanismo di regolazione della calcio ATPasi da parte della

calmodulina fa sì che la calcio ATPasi svolga un ruolo di “calciostato”, un ruolo centrale

nel regolare la concentrazione di calcio nel citoplasma.

Quando si aprono i canali del potassio per depolarizzazione fanno uscire il potassio,

invece i canali che mediano l'influsso del potassio nella cellula sono quelli che si

aprono per iperpolarizzazione.

Il vantaggio evolutivo sta nel fatto che lo stato d'apertura di questi canali non è

regolato solo dal potenziale ma anche in risposta ad altri segnali: pH, calcio etc e

quindi è possibile per la cellula regolare in modo molto più fine la velocità con cui il

potassio si muove.

Se il potenziale è permissivo ma altri valori no rimangono chiusi sia i canali d'entrata

che d'uscita.

Ci sono numerosi fattori che possono regolare lo stato d'apertura dei canali e la

velocità del flussi.

Questa possibilità di regolar lo stato di apertura dei canali di potassio in base al valore

di altri parametri vedremo che può essere molto importante quando la concentrazione

di potassio disponibile è molto bassa.

Se la disponibilità di potassio nell'ambiente esterno la concentrazione di potassio nella

-4

cellula non sarà più alta di tot. Se fuori ho 10 M di potassio, la concentrazione di

-2

potassio all'equilibrio nel citoplasma sarebbe 10 M; ma la concentrazione di potassio

nel citoplasma viene mantenuta costante intorno ai 100millimolare; questa situazione

può essere mantenuta solo se i canali del potassio rimangono chiusi, se fossero aperti

il potassio uscirebbe; quindi avendo due tipologie di canali diversi che rispondono a

regolazioni diverse è vantaggioso per l'omeostasi del potassio nel citoplasma.

Il gradiente elettrochimico di protoni è importante nei processi di trasporto a cavallo

della membrana; è importante anche per un'altra ragione: il gradiente di sodio viene

utilizzato per i trasporti attivi secondari nelle cellule animali, l'H+ATPasi nelle cellule

vegetali svolge questo ruolo. Ci sono dei sistemi di trasporto coi protoni.

Esperimento storico: L'esperimento è stato fatto col glucosio

su una piantina acquatica che si chiama

Lemna gibba; è una piantina

semplicissima.

Hanno lasciato che la piantina si

mettesse in stato stazionario in una

soluzione a composizione nota, poi

hanno misurato il valore di pH nella

soluzione in cui era immersa e il valore

della differenza di potenziale a cavallo

della membrana e le hanno fornito del

glucosio.

Ovviamente in un esperimento parallelo

era stato dimostrato che la pianta

assorbiva glucosio; qui hanno visto che

come veniva fornito glucosio, si

osservava una basificazione del mezzo

di incubazione, ovvero una riduzione

della concentrazione di protoni nel

mezzo di incubazione.

Contemporaneamente si aveva una drastica riduzione del valore della differenza di

potenziale a cavallo della membrana.

Sia la riduzione della concentrazione dei protoni del mezzo esterno che la

depolarizzazione sono compatibili e coerenti col fatto che all'assorbimento di glucosio

sia accoppiato un influsso di protoni, che scompaiono dal mezzo ed entrano nella

cellula, ed essendo carichi determinano anche la depolarizzazione del potenziale.

Come noi diamo il glucosio alla piantina è vero che si ha la depolarizzazione del

potenziale e l'acidificazione del mezzo, ma sono fenomeni transienti: il pH dopo un po'

torna al valore di prima e il potenziale pure.

Si ha una drastica e rapida variazione del valore del gradiente elettrochimico dei

protoni che però poi abbastanza rapidamente ritorna a un nuovo stato stazionario che

non è molto diverso da quello di prima.

Questo fenomeno è dovuto al fatto che viene dissipato il gradiente; l'influsso dei

protoni acidifica il pH del citoplasma ma questi due fenomeni stimolano l'attività della

pompa H+ATPasi, aumenta la velocità a cui l'H+ATPasi estrude i protoni in modo tale

che se prima l'ATPasi andava a cento ma il trasporto di glucosio era spento ma ora il

trasporto del glucosio porta dentro più protoni, la pompa diventa più veloce e il flusso

netto torna a zero.

L'ingresso di glucosio ha generato una disparità tra velocità di ingresso e uscita dei

protoni, ma il cambiamento di pH e di depolarizzazione stimola l'H+ATPasi e tutto

torna normale.

Hanno fatto altri esperimenti per confermarlo ed è stato scoperto che in effetti è così.

Se pensiamo all'energetica è come dire che per ogni

molecola di glucosio che entra, per mantenere lo

stato stazionario la pompa deve cacciar fuori un

protone.

Il costo energetico quindi è 1ATP per ogni molecola di

glucosio entrata: il trasportatore di per sé non utilizza

l'ATP, utilizza un gradiente che c'è già, ma può continuare a funzionare solo se l'ATPasi

pompa fuori i protoni, e lei consuma 1ATP per ogni protone mandato fuori.

Questo vale per tutti i cotrasporti.

Sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali sono espressi una varietà di sistemi

di cotrasporto di diversi substrati coi protoni. Esiste una varietà di proteine che sono

cotrasportatori substrato-protone.

In questo schema sono indicati i substrati per categorie:

Esistono famiglie di cotrasportatori

che riconoscono e trasportano gli

zuccheri. Una famiglia riconosce

glucosio e fruttosio, l'altra il

saccarosio, un'altra ancora ha

come substrati gli anioni.

Quindi questi sistemi di

cotrasporto coi protoni possono

essere fondamentalmente di due

tipi, e cioè possiamo distinguerli

tra quelli che mediano i trasporti

di protoni e substrato nella stessa

direzione, i simporti, o quelli che

mediano il trasporto in direzioni

opposte, gli antiporti. Ad

esempio se all'influsso di protoni è

accoppiato l'efflusso di sodio.

A seconda della natura dello

specifico substrato e della

stechiometria questi meccanismi

possono essere elettroneutri o elettrogenici.

Se un trasporto è elettroneutro il valore del potenziale della membrana non sarà

influenzato dalla sua attività. Un cotrasportatore protoni-zucchero è evidentemente

elettrogenico invece perché gli zuccheri sono privi di carica netta.

È evidente che l'energetica di questi trasportatori dipenda dal fatto se sono

elettrogenici oppure no; il trasportatore elettroneutro (sodio-protoni) potrà utilizzare

solo la componente chimica, la componente elettrica legata all'influsso dei protoni è

compensata dall'efflusso sodio, quindi l'energia disponibile per un trasporto di questo

tipo è soltanto l'energia chimica.

Il gradiente che genera il trasporto di glucosio è più grande; il glucosio genera anche

differenza elettrica, non solo chimica.

Altra categoria: trasporto anioni/minerali.

Simporto di cloruro e protoni

Se per ogni cloruro si muovono due protoni però la situazione cambia, guardare le

aggiunte in verde. L'energia per trasportare il cloruro contro gradiente è molto di più,

posso avere degli accumuli contro gradiente elettrochimico degli anioni molto più

forti.

Potremmo andare avanti: il solfato ha due cariche negative, alcuni trasporti hanno

stechiometria di 3protoni per ogni solfato quindi il discorso si complica e l'energia

coinvolta è maggiore.

Il gradiente mantenuto dalla H+ATPasi quindi è la driving force.

Poi abbiamo una famiglia di trasportatori che possono utilizzare come substrati gli

zuccheri, il trasportatore del glucosio e del saccarosio che sono elettrogenici.

Abbiamo poi dei trasportatori per gli amminoacidi (diverse famiglie che riconoscono

diverse tipologie di amminoacidi).

Abbiamo sistemi di cotrasporto coi protoni in simporto che sono importanti per gli

ormoni vegetali. Abbiamo citato l'antiporto sodio/protoni: questo sistema è importante

per mantenere bassa la concentrazione di sodio del citoplasma.

Le alofite riescono a mantenere negativo il potenziale osmotico accumulando grandi

quantità di NaCl nel vacuolo. Nel caso delle alofite se accumulano 100mmolare di

sodio nel vacuolo e lo tengono 10millimolare nel citoplasma vuol dire che il sodio entra

attraverso la membrana però viene cacciato nel vacuolo. La capacità di accumulare il

sodio nel vacuolo è tipica delle alofite, delle piante che crescono negli ambienti ad alta

salinità. La funzionalità di questo sistema di trasporto è un elemento per determinare

la tolleranza di una glicofita dell'aumento di salinità dell’ambiente esterno. Più è

espresso, attivo ed efficace questo sistema più tollerante sarà la pianta.

C'è il disegno di un'ultima tipologia di trasporto: è un meccanismo di simporto

accoppia all'influsso di protoni all'influsso di potassio

elettrogenico perché . Questo

trasportatore è attivo solo in determinate condizioni, ma in quelle condizioni è molto

importante. Sono le condizioni in cui la concentrazione di potassio nell'ambiente

esterno se siamo nelle radici è molto bassa. È necessario il mantenimento di una

concentrazione di potassio costante nel citoplasma, se la concentrazione esterna è

molto bassa il potassio può essere assorbito contro gradiente elettrochimico grazie

all'attività di questo trasportatore, che sfrutta l'energia che si libera dal gradiente dei

protoni per drenare l'assorbimento di potassio.

Ci manca il calcio: abbiamo visto che le concentrazioni di calcio del citoplasma nel

vacuolo sono tali per cui è evidente che il calcio può entrare nelle cellule perché si

accumula nel vacuolo a concentrazioni più che discrete, ma è anche evidente che ci

sono dei meccanismi che consentono di mantenere concentrazione citoplasmatica di

calcio molto basse rispetto a quelle che sarebbero le concentrazioni in una situazione

di equilibrio elettrochimico.

Questo è possibile perché sulla membrana plasmatica sono presenti diversi tipi di

trasportatori per il calcio e sulla membrana vacuolare anche. Sulla membrana

plasmatica sono presenti due tipi di proteine che mediano il trasporto del calcio: dei

canali ionici permeabili al calcio ed è evidente che questi canali per il calcio hanno

tutti una caratteristica, se la concentrazione di calcio è mantenuta così bassa e ci sono

diversi canali attraverso cui il calcio tende ad entrare con un gradiente che favorisce

l'influsso molto forte, una condizione necessaria per mantenere le concentrazioni

basse è che lo stato d'apertura sia finemente regolato.

Sulla membrana plasmatica delle cellule vegetali è presente anche un tipo di trasporto

attivo del calcio che media l'estrusione del calcio dal citoplasma verso l'ambiente

esterno; è una calcio ATPasi.

È parente stretta di quella degli animali; entrambe appartengono alla famiglia di

ATPasi di tipo P. Hanno in comune il meccanismo di trasporto e i principali meccanismi

di regolazione.

Il meccanismo di trasporto è un meccanismo di scambio calcio-protoni. Buttano fuori

calcio in scambio con protoni che fluiscono dentro la cellula. Quanti protoni non siamo

sicuri, alcuni dati dicono 1 protone per ogni calcio, altri dati 2 protoni per ogni calcio. È

un problema ad oggi irrisolto. L'energetica del trasporto cambia se sono un protone o

due protoni.

Nelle cellule vegetali il fatto che queste pompe scambino calcio coi protoni fa sì che

l'energia disponibile per cacciar fuori il calcio sia non solo quella che si libera

dall'idrolisi di ATP ma anche quella che si libera dall'influsso dei protoni. È come se

fossero contemporaneamente una pompa ma anche un cotrasporto perché il secondo

substrato sono i protoni pompati dall'altra pompa.

Questa caratteristica è quella che fa sì che la calcioATPasi delle cellule vegetali sia

effettivamente in grado di cacciar fuori il calcio avendo un ∆G negativo in tutte le

condizioni.

Il contributo termodinamico dell'influsso dei protoni è determinante a far sì che questa

pompa sia in grado di cacciar fuori il calcio a livelli compatibili con le funzionalità

metaboliche.

Se i canali fossero sempre aperti avremmo un ciclo futile allucinante, tutto l'ATP

servirebbe per cacciar fuori il calcio che entrerebbe.

I canali del calcio ci sono ma il loro stato d'apertura è finemente regolato, il loro stato

prevalente è quello di essere chiusi. Anche le attività delle calcio ATPasi sono

finemente regolate. Quando i canali del calcio sono chiusi è sufficiente una attività

bassa della calcio ATPasi per mantenere costante la concentrazione di calcio nel

citoplasma.

Ma il calcio fa da secondo messaggero per una serie di stimoli, l'innalzamento è

dovuto dal fatto che questi stimoli determinano l'apertura dei canali permeabili al

calcio. Il calcio entrato in seguito all'apertura dei canali deve venir ricacciato fuori. Se

lo stimolo ha ridotto l'apertura del canale sulla membrana plasmatica richiede un

cambiamento dell'attività catalitica della calcio ATPasi. Dopo che lo stimolo ha indotto

l'apertura dei canali ionici il ri-raggiungimento dell'omeostasi richiede un aumento

drastico dell'attività della calcio ATPasi.

I meccanismi di regolazione dell'attività sono diversi ma ne vediamo uno solo;

fondamentalmente sono tutti riconducibili alla regolazione della azione autoinibitoria

di un dominio della proteina.

La caratteristica di cui parlavamo ieri per regolare l'attività della pompa è dovuta al

dominio C-terminale. Anche le calcio ATPasi della membrana plasmatica hanno un

+

dominio terminale tipo quello dell'H ATPasi che ha un'azione autoinibitoria. Però

l'attività autocatalitica delle piante sta all'N-terminale. Quando questo dominio

interagisce con la testa catalitica l'attività della pompa è bassa, l'attività autoinibitoria

della calcio ATPasi è regolata dalla calmodulina. Ne abbiamo già parlato, è una

piccola proteina regolativa che è capace di legare il calcio. Lega quattro calci per ogni

molecola di calmodulina, che è semisaturata dal calcio intorno al µmolare, quando è

legata al calcio cambia la sua conformazione e si lega a determinate sequenze che

sono presenti nelle sue proteine bersaglio. Quando la calmodulina si lega alla

calcioATPasi la sua attività aumenta anche di dieci volte.

Senza la calmodulina la pompa funziona poco; arriva un segnale che determina

l'apertura dei canali del calcio nel citoplasma e succede che in seguito all'aumento di

concentrazione la calmodulina tende a legare il calcio, si mette nella conformazione

con quattro calci legati che è la conformazione attiva della calmodulina. Quindi se la

calmodulina è in forma attiva si lega al dominio autoinibitorio della calcio ATPasi,

aumentandone l'attività. Il calcio che era entrato nel citoplasma può essere cacciato

fuori. Gli aumenti della concentrazione di calcio citoplasmatica indotti dagli stimoli

sono transienti, aumenta ma poi torna giù; a seconda dello stimolo possono avere

entità diverse ma anche un andamento nel tempo diverso.

Può aumentare in modo molto diverso, a seconda dell'attività dei diversi tipi dei flussi

potremo avere delle forme diverse in queste transienti di calcio e queste forme sono

tipicamente associate a ciascuno stimolo, ed ecco come un organismo può usare il

calcio come secondo messaggero per stimoli diversi. Il calcio aumenta ma diversi

aumenti attivano diverse risposte.

La pianta è in grado di capire se quell'aumento è stato indotto dalla ferita, dal freddo,

dalla mancanza d'acqua etc. la pianta è in grado di distinguere quale sia lo stimolo

proprio dall'andamento temporale che hanno questi transienti di calcio.

La regolazione della attività dei canali ionici permeabili al calcio e dei sistemi di

trasporto attivo è fondamentale anche nella risposta agli stimoli.

È chiaro che il meccanismo di regolazione della calcio ATPasi da parte della

calmodulina fa sì che la calcio ATPasi svolga un ruolo di “calciostato”, un ruolo centrale

nel regolare la concentrazione di calcio nel citoplasma.

Le proteine trasportatrici sono presenti sulle membrane di tutti gli organelli cellulari,

sono quelle che fanno sì che la composizione della matrice dei diversi organelli sia

diversa e specifica per ciascun organello.

Dobbiamo occuparci dei trasportatori del tonoplasto; il vacuolo è di gran lunga

l'organello più grosso, è un enorme magazzino che occupa il 90% del volume cellulare.

Al suo interno possono essere accumulate varie sostanze (saccarosio, malato) ma

vengono stipate anche le molecole velenose per la pianta stessa, molecole che le

piante producono come strumento di difesa. Queste sostanze in dosaggi controllati

vengono usati come farmaci e sono tossici, quindi la concentrazione nel citoplasma

deve essere mantenuta bassissima.

Abbiamo anche già visto che a cavallo del tonoplasto vengono mantenuti dei rilevanti

gradienti elettrochimici di alcuni ioni, abbiamo visto che viene mantenuto un gradiente

elettrochimico di protoni, il pH nel vacuolo è un paio di unità di pH più acido di quello

del citoplasma e a cavallo del tonoplasto viene mantenuta una piccola ma significativa

differenza di potenziale. Ciò ci dice che i protoni sono sequestrati dal vacuolo.

I principali meccanismi di trasporto sulla membrana vacuolare

Il gradiente elettrochimico di protoni è dovuto all'attività di due diverse pompe

protoniche che sono presenti sulla membrana vacuolare. Una è l'H+ATPasi, che è

completamente diversa da quella della membrana plasmatica, è più simile alle ATPasi

dei mitocondri. È multimerica ed è formata da subunità diverse. Ha anche meccanismo

di funzionamento simile alle ATPsintasi dei mitocondri e cloroplasti.

L'HATPasi differisce da quella della membrana plasmatica anche perché non implica la

formazione di un intermedio fosforilato e anche per la stechiometria: l'H+ATPasi del

tonoplasto trasporta due protoni per ogni ciclo catalitico, utilizza l'energia di idrolisi

dell'ATP per trasportare due protoni. La HATPasi della membrana cellulare è più

efficiente perché può lavorare per più tempo.

Sulla membrana del tonoplasto c'è un'altra pompa protonica che usa come substrato

che viene idrolizzato per ottenere energia il pirofosfato; è fatto da due fosfati legati

tra loro da un legame anidridico, la sua idrolisi libera energia più o meno come quella

dell'ATP. L'energia che si libera dall'idrolisi del pirofosfato viene utilizzata da questa

proteina per pompare protoni dal citoplasma nel vacuolo. È probabile che questa

pompa trasporti sia protoni che potassio insieme.

Le due pompe sono espresse sulla membrana vacuolare delle stesse cellule; il livello di

espressione dell'una o dell'altra può essere maggiore o minore. Il risultato dell'attività

di queste pompe è la generazione di un gradiente elettrochimico di protoni, il quale

esattamente come nella membrana plasmatica influenza sia il trasporto passivo di ioni

sia il trasporto di ioni e soluti contro il loro gradiente elettrochimico grazie a

meccanismi di cotrasporto substrato-protoni.

Sulla membrana vacuolare sono presenti diversi canali ionici permeabili ad anioni

come il cloruro oppure al malato. Poiché il potenziale è positivo nel vacuolo rispetto al

citoplasma, questi canali permeabili agli ioni consentono agli anioni di accumularsi

all'interno del vacuolo a concentrazioni più elevate di quelle presenti nel citoplasma.

Però sulla membrana vacuolare sono presenti anche canali permeabili ai cationi, come

al potassio o al calcio. Sono importati per i rilascio dei cationi dal vacuolo verso il

citoplasma, ad esempio i canali per il calcio sono una componente importante per

permettere l'aumento di concentrazione di calcio in risposta ai diversi stimoli.

Sono presenti sistemi di cotrasporto che sono più o meno prevalentemente sistemi di

antiporto, in cui all'efflusso di protoni è accoppiato l'influsso dell'altro substrato dal

citoplasma al vacuolo.

Questi sistemi sono importanti nella compartimentazione dei soluti all'interno del

vacuolo, ne citiamo tre: uno è l'

antiporto vacuolare protoni/sodio ; è tipicamente

presente nelle alofite, le piante che vivono in terreni ad alta salinità ed è il

meccanismo principale di compartimentazione di sodio nel vacuolo.

Poi ci sono dei sistemi di antiporto protoni/zuccheri, in particolare l'antiporto

protoni/saccarosio media il trasporto di saccarosio nel vacuolo nelle cellule

fotosintetiche e contribuisce a mantener bassa la concentrazione di saccarosio nel

citoplasma di modo che la sua sintesi vada avanti; è anche quello responsabile

dell'accumulo di saccarosio negli organi di riserva di alcune piante (barbabietole da

zucchero, le usiamo come fonte di estrazione di saccarosio per questo motivo, nel suo

vacuolo abbiamo elevate concentrazioni di saccarosio).

Il terzo da citare è il meccanismo di antiporto protoni/calcio, protoni che escono nel

tre protoni per ogni

citoplasma in cambio di calcio. Questo meccanismo scambia

calcio. Sostanzialmente utilizza l'energia che si libera dall'efflusso di protoni per

sequestrare il calcio all'interno de vacuolo; questo meccanismo gioca un ruolo

importante nel mantenere costante la concentrazione di calcio nel citoplasma. Questo

meccanismo del calcio attivo secondario non è l'unico trasporto attivo del calcio

presente sul tonoplasto, oltre a questo antiporto c'è una calcioATPasi del tutto simile

a quella che abbiamo visto nella membrana plasmatica. È dotata di un dominio

autoinibitorio la cui azione può essere soppressa dal legame della calmodulina. Questa

pompa gioca un ruolo simile a quello che abbiamo descritto ieri per la membrana

plasmatica nel ristabilire la concentrazione basale di calcio dopo che si è avuto

l'aumento dovuto all'apertura dei canali permeabili al calcio. L'aumento della

concentrazione di calcio che osserviamo dopo uno stimolo può essere dovuto

all'apertura dei canali della membrana plasmatica ma prevalentemente è dovuta

all'apertura dei canali del tonoplasto oppure entrambi. Come primo fenomeno indotto

dallo stimolo l'aumento di calcio influenza lo stato d'apertura dei canali vacuolari.

A riportare la concentrazione di calcio ai livelli basali contribuiscono le pompe della

reticolo endoplasmatico

membrana plasmatica e vacuolare; anche il è un deposito di

calcio e ha pompe per tirarlo dentro, in risposta ad alcuni stimoli anche lui gioca un

ruolo importante. Nelle cellule vegetali però data anche la sua dimensione il principale

magazzino di calcio è il vacuolo.

Esercitazione sull'analisi dei gradienti

Quanto vale il gradiente elettrochimico di protoni che viene mantenuto a cavallo della

membrana plasmatica dall'attività dell'H+ATPasi?

Abbiamo bisogno di sapere quale sia il valore della concentrazione di protoni, ovvero

di pH, nel citoplasma; il valore di pH extracellulare e il valore della differenza di

potenziale (∆E) che viene mantenuta.

Questo vuol dire che l'H+ATPasi quando pompa una mole di protoni dal citoplasma

verso l'ambiente esterno in queste condizioni fa un lavoro di 27610J/mol.

Vuol dire che per ogni mole di protoni che va da out verso in si liberano 27610J/mol.

Per fare questo lavoro l'H+ATPasi utilizza l'energia che si libera dall'idrolisi di una mole

di ATP.

La pompa lavora lontano dal suo equilibrio elettrochimico, ha un ∆G di -22, il che

significa che se si mette a lavorare più in fretta potremo avere lo stato stazionario. Se

rallenta diminuirà il valore del gradiente elettrochimico in stato stazionario.

Domanda: se questa ATPasi trasportasse due protoni per ogni ciclo catalitico, ce la

potrebbe fare a mantenere quel gradiente elettrochimico?

Il ∆G sarebbe positivo! Ho avanzato 22000 Joule ma per portare un altro protone me

ne servirebbero 27000J/mol quindi il ∆G sarebbe positivo. La quantità di energia che

ho a disposizione è quella, mi determina quanto massimo lavoro posso fare. Se lo

faccio su un protone è un conto, se lo faccio su due protoni faccio metà del lavoro.

Così catalizzerebbe la reazione inversa.

Qual è il massimo gradiente elettrochimico di protoni che può generare l'H+ATPasi

nella membrana plasmatica?

Eguaglio il ∆G di idrolisi dell'ATP al gradiente elettrochimico dei protoni; il massimo

gradiente di protoni che può generare è quello tale per cui la reazione da lei

catalizzata è in equilibrio.

Quindi nel tonoplasto ho un gradiente di al massimo 25000J/mol.

Ora voglio sapere quanto acido può diventare il vacuolo con una ATPasi come questa

che abbiamo visto. Per calcolarlo ho bisogno di un altro dato: qual è il valore di pH nel

citoplasma (7,3) e poi ho bisogno della differenza di potenziale del tonoplasto,

mettiamo che sia +15mV.

Poiché la ∆E che viene mantenuta c'è ma è piccola, anche trasportando due protoni

per ogni ATP la pompa è in grado di mantenere una differenza di pH tra vacuolo e

citoplasma di 4 unità di pH.

Altro esempio

Vogliamo occuparci del trasporto di un anione, il solfato.

Quindi abbiamo la somma di due processi: uno è il trasporto di 3H+, l'altro processo è

il trasporto di un solfato. Quindi il modo più semplice per calcolare il ∆G è:

Questo era il modo più semplice per svolgerla, uno volendo può anche calcolare il ∆G

tutto in un passaggio:

Se dobbiamo occuparci dell'antiporto calcio/protoni del tonoplasto, che scambia un

calcio con tre protoni:

In una prima fase una volta scoperto che c'era un meccanismo che scambiava

calcio/protoni si ragionava come se scambiasse 1Ca per 1H+ ma il risultato era che il

calcio si sarebbe accumulato molto meno di quello che è stato trovato

sperimentalmente; allora l'idea è stata che scambiasse 2H+ per 1Ca. Ma niente, i

risultati non combaciavano.

I meccanismi di trapsorto che abbiamo analizzato sono importanti a livello delle radici

per l'assorbimento dei minerali in forma ionica, ma sono importanti anche nel resto

della pianta.

Come vengono distribuiti attraverso la pianta?

Attraverso lo xilema. Sostanzialmente gli ioni vengono assorbiti prevalentemente a

livello dei peli radicali, ma devono poi essere scaricati nei vasi xilematici.

Sappiamo che intorno al cilindro centrale, a livello

banda del caspari,

apicale, c'è la questo vuol dire

che attraverso la corteccia radicale il movimento

degli ioni può avvenire anche per diffusione tra

gli spazi liberi tra una cellula e l'altra, ma quando

raggiunge la banda del caspari sarà di nuovo

necessario il trasporto attraverso la membrana

fino a che gli ioni vengono scaricati nei vasi

xilematici.

Il movimento degli ioni assorbiti a livello radicale

attraverso la pianta è sostanzialmente dovuto al

grazie alla differenza di pressione

flusso di massa nello xilema mantenuta tra la zona

basale e la zona apicale.

I processi di trasporto di membrana non sono importanti solo per la funzione di

trasporto minerale ma anche per altre funzioni fisiologiche fondamentali.

E' vero che le piante sono autotrofe, cioè capaci di fissare il carbonio e l'azoto in forma

inorganica per la produzione di materia organica, ma questa caratteristica di autotrofia

non è condivisa da tutti i tipi cellulari delle piante: è fondamentalmente ristretta alle

foglie, ossia a quei tessuti le cui cellule differenziano cloroplasti.

L'autotrofia per il carbonio è ristretta quindi al mesofillo fogliare. Questo vuol dire che

tutte le altre tipologie di cellule che non differenziano cloroplasti e che quindi non sono

in grado di fare fotosintesi hanno un metabolismo eterotrofo, ossia hanno necessità di

assorbire nutrienti che poi utilizzano attraverso processi metabolici sia per ottenere

energia chimica per fare i lavori cellulari, sia per ottenere diversi precursori necessari

per la biosintesi di macromolecole.

Questa condizione di eterotrofia e quindi necessità di assorbire nutrienti è condivisa

non solo dalle radici, ma anche dagli organi di riserva e dall'apice del germoglio (ossia

le nuove foglie che si sviluppano e che sono in formazione visto che non sono in grado

di sopperire a tutte le necessità di nutrienti prima di aver raggiunto il livello di

maturazione). il flusso di zuccheri dalle foglie adulte andrà sia in direzione

Questo vuol dire che

apicale (germoglio) sia in direzione basale.

Il tessuto attraverso il quale questo flusso di zuccheri avviene è il floema formato dai

tubi fibrosi che sono composti da cellule vive. Sono cellule fortemente differenziate

che perdono, nel corso del differenziamento, tutti gli organelli salvo qualche

mitocondrio che è essenziale per un minimo di attività metabolica (necessaria affinché

queste siano vive e restino vive).

Sotto la membrana cellulare dunque non c'è più vacuolo ma un sottile strato di

citoplasma che contiene mitocondri.

Inoltre a livello della congiunzione tra una cellula e l'altra si formano le cosiddette

placche cribrose, ossia la superficie di contatto tra una cellula e l'altra che è una

specie di setaccio ampiamente bucherellato. I pori che costituiscono le placche

ampliamento dei plasmodesmi,

cribrose non sono altro che un ossia delle normali

connessioni tra cellula e cellula.

Nel corso del differenziamento del floema si ha un'espansione del poro dei

plasmodesmi che genera la placca cribrosa ampiamente bucata. Questo significa che

la superficie attraverso la quale si può avere un movimento di soluti da una cellula

all'altra è molto più alta rispetto a quella presente tra le cellule del mesofillo.

I prodotti principali della fotosintesi sono il saccariosio e l'amido primario, come

vengono trasportati dagli organi produttori agli organi utilizzatori?

L'amido è insolubile e come tale non è in grado di uscire dal cloroplasto in cui è stato

prodotto infatti viene prodotto di giorno ed idrolizzato di notte (nel corso della giornata

aumentano le dimensioni e il numero di granuli di amido nel cloroplasto).

Quindi il trasporto è sostanzialmente trasporto di saccarosio attraverso i tubi

cribrosi del floema.

Nella maggior parte delle specie di piante lo zucchero che viene trasportato

maggiormente è il saccarosio, ma ci sono alcune specie che utilizzano come zucchero

di trasporto dei derivati del saccarosio che si formano per aggiunta a una molecola di

saccarosio di una o più unità di galattosio (monosaccaride), quindi invece di essere

dimeri come il saccarosio sono trimeri o tetrameri.

Se andiamo ad analizzare la composizione del succo floematico di queste piante

troviamo alte concentrazioni di questi zuccheri e non del saccarosio.

Nella maggior parte delle specie però se analizziamo la composizione del floema

troviamo delle concentrazioni di saccarosio che possono arrivare ad essere dell'ordine

della molarità (centinaia di millimolare).

Questo ci pone il problema di come il saccarosio arrivi nel floema.

Abbiamo visto che la concentrazione di saccarosio nel citoplasma delle cellule del

mesofillo è normalmente abbastanza bassa anche perché se aumenta viene inibita la

sintesi e non ne viene più prodotto.

come fa ad avere una concentrazione nei tubi cribrosi molto più

La domanda quindi è:

alta di quella nelle cellule del mesofillo?

Questo significa che il flusso di saccarosio dalle cellule del mesofillo ai tubi cribrosi

avviene contro il suo gradiente di concentrazione, che è il suo gradiente

elettrochimico (in quanto non ha una carica).

Mettere il saccarosio nel floema è dunque un lavoro e non un processo spontaneo e

viene chiamato caricamento del floema.

Questo avviene attraverso l'attività di proteine di trasporto sulla membrana cellulare

delle cellule del mesofillo e sulla membrana cellulare delle cosiddette cellule

compagne del floema (cellule associate ai tubi cribrosi).

Le cellule vegetali sono connesse fra loro da una fitta rete di plasmodesmi attraverso

cui le piccole molecole possano diffondere di cellula in cellula in modo tale che la rete

dei plasmodesmi costituisca un ambiente unico sovracellulare chiamato simplasto

.

Nel corso della maturazione della foglia fra mesofillo e floema si ha la chiusura dei

in una cellula adulta il mesofillo e il floema sono isolati l'uno

plasmodesmi, infatti

rispetto all'altro non fanno parte dello stesso simplasto.

e

Questo significa che la comunicazione tra i due tipi cellulari implica l'attraversamento

della membrana cellulare delle cellule del mesofillo, il saccarosio si ritrova quindi

nell'apoplasto e poi viene assorbito attraverso la membrana cellulare delle cellule

compagne. perchè implica il

Tutto ciò viene definito caricamento apoplastico del floema,

passaggio del saccarosio nell'apoplasto (ambiente extracellluare). trasporto passivo

Il rilascio del saccarosio nell'apoplasto dalle cellule del mesofillo è un

mediato da una permeasi secondo gradiente. E' chiaro che un flusso passivo di

questo tipo potrà continuare solo se il saccarosio man mano che viene rilasciato

nell'apoplasto viene portato via.

Il saccarosio per essere portato via deve essere assorbito dalle cellule compagne.

A livello delle foglie le cellule compagne del floema si differenziano in un modo in cui si

cellule di

specializzano in questa attività di trasporto tant'è che vengono chiamate

trasferimento (transfer cells). Questo differenziamento dal punto di vista morfologico

consiste nel fatto che la parete cellulare di queste cellule forma una serie di

invaginazioni in cui si invagina la membrana cellulare. Una modificazione morfologica

aumenta la superficie

di questo tipo è proporzionale alla funzione di trasporto perché

attraverso cui il trasporto può avvenire.

Dal punto di vista molecolare il

differenziamento di queste cellule comporta

l'espressione ad alti livelli dei geni che

codificano per l'H+ ATPasi della membrana

plasmatica che è presente a livelli altissimi

quindi queste cellule hanno un'elevata

capacità di escludere protoni.

Inoltre vengono espressi ad alti livelli anche

i geni che codificano per il co-

trasportatore saccarosio/H+. Cioè hanno

un'elevata capacità di assorbire il

saccarosio attraverso un processo di trasporto attivo secondario.

Questo richiede un'elevata attività dell'H+ ATPasi per mantenere il gradiente di

protoni.

Il funzionamento congiunto della permeasi che rilascia saccarosio nell'apoplasto e del

sistema dei trasportatori sulla membrana delle cellule compagne consente un flusso

del saccarosio dal mesofillo alle cellule compagne tale per cui il saccarosio raggiunge

all'interno delle cellule compagne, e di conseguenza all'interno dei tubi cribrosi del

floema, concentrazioni molto elevate.

Il saccarosio quando viene trasportato dal mesofillo alle cellule compagne passa

attraverso l'apoplasto, questo è stato dimostrato con un esperimento di ingegneria

genetica: è stato espresso il gene che codifica per un enzima chiamato invertasi

enzima che catalizza

targettato per essere secreto nell'apoplasto. L'invertasi è un

l'idrolisi del saccarosio (saccarosio + H2O --> glucosio + fruttosio). E' stata scoperta

utilizzando come unità di misura la polarizzazione della luce perchè la inverte.

Fa sì che il saccarosio nell'apoplasto venga idrolizzato a glucosio e saccarosio, in

questa pianta la distribuzione degli zuccheri dal mesofillo fogliare al resto della pianta

fa caput. Il caricamento del floema non è possibile infatti perchè le cellule del

trasferimento esprimono i geni per il trasferimento del saccarosio e non del glucosio.

come il saccarosio può muoversi attraverso la pianta e come

Adesso dobbiamo capire

viene riassorbito a livello degli organi utilizzatori.

Il primo dato di fatto è che a livello degli organi utilizzatori le concentrazioni di

saccarosio sono molto più basse che non a livello degli organi produttori: c'è

una differenza di concentrazione del saccarosio all'interno del floema tra organi

produttori e utilizzatori.

Questa differenza c'è perchè gli organi utilizzatori assorbono il saccarosio

sequestrandolo. Questo processo viene chiamato scaricamento del floema.

due modalità diverse

Può avvenire attraverso a seconda degli organi utilizzatori.

A. Ci sono organi utilizzatori in cui fra le cellule compagne del floema e le cellule

del parenchima c'è una fitta rete di plasmodesmi.

Il saccarosio che arriva quindi può

diffondere attraverso i

plasmodesmi nelle cellule

compagne e potrà anche

diffondere nelle cellule del

parenchima.

Il movimento attraverso i

plasmodesmi è diffusionale il che

significa che può avvenire solo e

fintanto che è presente un

gradiente di concentrazione.

Questo gradiente viene

mantenuto dall'attività metabolica

delle cellule del parenchima che

una volta che assorbono

saccarosio questo va nel processo respiratorio e nella sintesi di macromolecole.

La velocità a cui il saccarosio viene scaricato (= portato via dal floema)

dipende dunque dalla velocità con la quale viene trasformato.

La capacità di trasformare il saccarosio viene definita anche con il termine di forza.

source,

In inglese gli organi produttori vengono chiamati quelli utilizzatori invece

sink.

vengono chiamati

B. In altri organi utilizzatori le relazioni anatomiche floema-parenchima sono

completamente diverse. Ci sono i plasmodesmi tra le cellule compagne e i tubi

cribrosi ma fra le cellule compagne e il parenchima non ci sono i plasmodesmi.

Questa è la situazione in cui il sink è il seme che si sta formando.

In questo caso, se non

ci sono simplasti, è

evidente che lo

scaricamento del

floema potrà avvenire

solo tramite: il

passaggio attraverso la

membrana cellulare

della cellula compagna,

il passaggio

nell'apoplasto e il

riassorbimento da parte delle cellule utilizzatrici.

Le cellule dell'organo utilizzatore non esprimono il co-trasportatore

saccarosio/H+ ma esprimono il co-trasportatore glucosio/H+.

In questi organi utilizzatori succede che nell'apoplasto c'è un'invertasi che idrolizza

saccarosio che viene espressa solo negli organi utilizzatori e non in quelli produttori.

In presenza dell'invertasi il saccarosio viene idrolizzato a glucosio e fruttosio che

vengono riassorbiti dalle cellule dell'organo utilizzatore. L'accumulo di glucosio e il

saccarosio non è indefinito,

flusso di saccarosio dal

floema verso le cellule

dell'organo utilizzatore può

continuare solo se glucosio e

fruttosio vengono utilizzati

per la sintesi di altre

molecole, e quindi

trasformati.

Fintanto che le cellule

dell'organo utilizzatore

continuano a trasformare

saccarosio o glucosio e

fruttosio la concentrazione di

saccarosio dentro il floema

viene mantenuta più bassa di

quella che abbiamo a livello dell'organo produttore.

Il risultato dei processi di caricamento a livello del source e dello

scaricamento a livello del sink è il mantenimento di una differenza di

concentrazione di saccarosio a livello dei tubi cribrosi.

I valori del potenziale osmotico sono circa 1.7 MPa a livello dell'organo produttore e

0.7 MPa a livello dell'organo utilizzatore.

C'è una differenza elevata nel valore della componente osmotica del potenziale

dell'acqua molto più negativa a livello dell'organo produttore.

Questo tende a far sì che il potenziale dell'acqua sia molto negativo.

Sappiamo che il movimento dell'acqua attraverso le membrane cellulari tende a

mettere il potenziale dell'acqua all'interno della cellula in equilibrio con quello esterno.

In questo caso, a livello dell'organo produttore, se il potenziale è negativo

l'equilibramento si potrà avere solo con un aumento della componente di pressione.

A livello del source avremo quindi un valore elevato della pressione di

turgore che contrasta il valore negativo elevato della componente osmotica

del potenziale dell'acqua. Avremo un valore positivo della componente di pressione

il floema tende ad assorbire l'acqua.

del potenziale dell'acqua e una situazione in cui

A livello dell'organo utilizzatore l'efflusso di saccarosio rende meno negativa la

componente osmotica, questo farà sì che l'acqua tenda ad uscire dal floema e la

componente di pressione diminuisce.

In questo caso anche il potenziale dell'acqua complessivo è diverso tra source (-1.1) e

sink (-0.4).

Non è detto però che sia così perché il valore del potenziale dell'acqua complessivo

può anche essere uguale tra source e sink.

Il caricamento e lo scaricamento del floema mantengono una differenza di pressione a

livello dei tubi cribrosi nel source e nel sink. Ma in un tubo alle cui estremità c'è

differenza di pressione ci sarà un flusso di massa.

Ossia l'acqua e le molecole che sono disciolte in acqua si muovono nel tubo a una

velcoità che è funzione della viscosità della soluzione, della quarta potenza del raggio

e della differenza di pressione.

Questa va sotto il nome di teoria di Munch. drenato dalla

Questo flusso di massa nel floema, nonostante si tratti di cellule vive, è

differenza di pressione come il flusso di massa nello xilema.

Il flusso di massa dipende dalla forza del sink.

Questo ci spiega anche come può avvenire la circolazione anche in assenza

traspirazione.

Questo sistema di circolazione chiuso o recircolo.

Riascolta ultima parte

La spiegazione del signor Munch è stata sbertucciata per anni perché la direzione del

flusso di massa è quella del gradiente di pressione. Il flusso nel floema riascolta

Il flusso di massa in un tubo cribroso va in una sola direzione. Ma di tubi cribrosi ce ne

sono tanti.

L'estremità di un tubo cribroso può essere collegata con le radici e andare in una

direzione oppure al germoglio e andare nell'altra.

Il problema più grave è che il flusso di massa può avvenire solo se i pori delle placche

cribrose sono aperti, che già da aperti costituiscono un fattore limitante.

Quando andavano a guardare al microscopio i buchi delle placche cribrose li trovavano

tappati dal callosio (lo zucchero con cui le piante tappano le ferite) e spesso trovavano

adese anche delle proteine ammassate, chiamate proteine P (per l'iniziale del floema

in inglese).

Quello che vedevano quindi era un artefatto dovuto al fatto che per guardare la pianta

la microscopio dovevano tagliarla, ma la pianta reagisce a una ferita con il callosio.

Le tecniche di fissazione delle fettine che si usavano a quei tempi erano lentissime e

quindi prima che il campione morisse faceva in tempo a reagire tappando i pori delle

placche cribrose con il callosio.

Se invece veniva utilizzato l'azoto liquido il tempo si è ridotto e i pori si vedevano

aperti.

Ultime due considerazionI sul trasporto nel floema.

E' un trasporto che avviene per flusso di massa drenato dalla differenza di pressione

tra l'organo produttore e l'organo utilizzatore.

Il principale determinante della differenza di pressione e quindi della velocità del flusso

è la cosiddetta forza del sink, ossia la capacità dell’organo utilizzatore di trasformare

il saccarosio che riceve consentendo un’analoga velocità di efflusso del saccarosio dal

floema a livello dell'organo utilizzatore.

Una spiga che si sta sviluppando ad esempio è un potente organo utilizzatore.

Se si riduce la velocità di esportazione del saccarosio si ridurrà anche la velcoità di

caricamento del saccarosio a livello dell'organo produttore. Il che significa che il

saccarosio prodotto nelle cellule del mesofillo viene maggiormente trattenuto nelle

cellule del mesofillo stesso. Quindi la concentrazione di saccarosio nelle cellule del

mesofillo aumenta e l'accumulo di saccarosio nel citoplasma inibisce la sintesi di

saccarosio. Prevarrà così la sintesi di amido, e quindi diminuirà la velcoità di

fotosintesi.

In una certa misura dunque la capacità degli organi utilizzatori di utilizzare i

prodotti come il saccarosio esercita un controllo sull'attività fotosintetica

stessa.

C'è un coordinamento funzionale tra organi produttori ed utilizzatori.

La definizione di source e di sink infatti non è una definizione anatomica ma è una

definizione funzionale. uno stesso organo può svolgere un ruolo

Nel corso della vita di una pianta ad esempio

da source o un ruolo da sink.

Esempio: le giovani foglie che sono ancora in fase di crescita non sono autonome, la

loro capacità di fare fotosintesi è ancora limitata rispetto al fabbisogno di substrati per

la crescita e pertanto queste foglie svolgono un ruolo da sink. Solo con la maturazione

la foglia diventa un vero source.

Un altro esempio: le piante biennali tipicamente durante il primo anno di vita

accumulano riserve negli organi di riserva (es. barbabietola da zucchero). Queste

riserve accumulate servono a nutrire il germoglio quando riparte la primavera

successiva. Prima che il nuovo germoglio sia in grado di svolgere una vita autotrofa

questo deve nutrirsi e crescere, e si nutre degli zuccheri che arrivano dall'organo di

riserva. Nel primo anno di vita è un sink, e poi diventa dal secondo anno source.

Ci sono piante in cui il caricamento del floema avviene in modo completamente

diverso.

In queste piante non è vero che quando la foglia diventa adulta si chiudono i

plasmodesmi tra cellule del mesofillo e cellule compagne del floema, al contrario c'è

una connessione simplastica tra mesofillo e floema anche nella pianta adulta. In

il caricamento del floema non avviene in modo attivo.

queste piante

Il saccarosio può diffondere nelle cellule compagne attraverso i plasmodesmi. Questa

diffusione ovviamente avviene se la concentrazione è più bassa nelle cellule

compagne. Infatti nelle cellule compagne viene scisso così da non far aumentare la

sua concentrazione. Se viene scisso aumenta però la concentrazione dei prodotti in cui

viene scisso che potrebbero diffondere nel mesofillo dove non ci sono per via della

differenza di concentrazione.

I plasmodesmi tra mesofillo e cellule compagne però sono molto più stretti di quelli tra

mesofillo e cellule floematiche.

Dai primi quindi può diffondere saccarosio ma non possono diffondere i prodotti scissi

perché sono troppo grossi.

Quindi è come se ci fosse un senso unico.

LA CRESCITA PER DISTENSIONE

Andiamo a vedere un altro processo fisiologico: crescita per distensione.

Abbiamo studiato che le piante hanno due modalità di accrescimento:

Per moltiplicazione cellulare che è ristretta ai meristemi.

o Per crescita per distensione (ha un impatto maggiore sulle dimensioni che la

o pianta raggiunge) che consiste in un aumento di dimensione delle cellule.

Le dimensioni lineari di una cellula nel passaggio da cellula meristematica a

cellula adulta possono aumentare di una decina di volte. Il volume cellulare

invece può aumentare fino a 100 volte.

Se le misuro con la bilancia a questo aumento di dimensioni corrisponde un

aumento del peso fresco del campione.

Se invece di confrontare il peso fresco del campione con tutto il suo contenuto

di acqua, io confronto il peso secco del campione (tolgo l'acqua) nella crescita

per distensione l'aumento di peso secco è molto minore dell'aumento di peso

secco.

Questo vuol dire che l'aumento di peso è dovuto essenzialmente all'aumento

del contenuto di acqua.

In effetti nella crescita per distensione abbiamo questo enorme aumento delle

dimensioni cellulari che è dovuto all'ingresso di una grande quantità di acqua che per

la maggior parte va ad ingrossare il vacuolo e a generare il grande vacuolo tipico delle

cellule vegetali adulte.

Se pensiamo a una pianta, questa ha le radici piantate nel terreno e l'unico modo che

la pianta ha per aumentare le dimensioni dell'ambiente da esplorare per cercare

nutrienti e luce è quello di aumentare le sue dimensioni. Aumentarle attraverso

meccanismo economico con un

l'aumento delle dimensioni cellulari è sicuramente un

costo metabolico non troppo alto. Per avere questa crescita vengono infatti svolte

poche attività biosintetiche, poco lavoro chimico. Le attività biosintetiche però non

sono proprio nulle ovviamente per quel che riguarda le membrane e la parete cellulare

che devono variare in funzione dell'aumento di dimensioni.

L'aumento delle dimensioni cellulari comporta un problema, ossia con l'aumento

delle dimensioni cellulari diminuisce la superficie relativa della cellula (ossia

della superficie rispetto al volume), questo implica una diminuzione nella capacità di

scambi tra l'interno della cellula e l'ambiente esterno.

Le cellule adulte delle piante risolvono il problema della diminuzione di superficie

relativa grazie allo sviluppo del grande vacuolo centrale.

Il citoplasma in questa cellula adulta è ristretto a uno strato sottile dello spessore di

circa 10 micron che è a stretto contatto con la membrana plasmatica da una parte e

con il tonoplasto dall'altra.

Se calcoliamo la superficie relativa rispetto al volume del citoplasma, ossia la parte

delle cellula dove si svolgono le attività metaboliche, la superficie relativa non è più

così piccola.

Quindi la possibilità degli scambi della cellula con l'ambiente esterno rimane grande.

Altrettanto grande è la superficie relativa della membrana vacuolare rispetto al

citoplasma. Quindi il citoplasma è in grado di comunicare agevolmente sia con

l'ambiente esterno sia con il vacuolo.

fondamentalmente la formazione del grande vacuolo quello che

Questo per dire che è

consente che la crescita per distensione sia un sistema a basso costo, efficace e

funzionale per la pianta per aumentare le proprie dimensioni al fine di aumentare

l'ampiezza dell’ambiente che può esplorare.

E' chiaro che nella cellula non può entrare solo acqua, perché altrimenti se il volume

aumenta di 100 volte, ad esempio, il succo cellulare si diluirebbe di 100 volte e

varierebbe l'osmolarità.

Immaginiamo un enzima qualsiasi: se aumenta di 10 volte il contenuto di acqua,

diminuisce di 10 volte la concentrazione di questo enzima e quindi diminuirebbe di 10

volte la portata della reazione catalizzata da questo enzima.

Se quasi tutta l'acqua che entra però va nel vacuolo allora il citoplasma non si diluisce

e quindi le concentrazioni degli enzimi responsabili delle velocità dei flussi metabolica

non diminuiscono di troppo.

Adesso ci dobbiamo occupare del come mai una cellula meristematica invece che

continuare a dividersi per mitosi in due cellule che poi crescono ecc. a un certo punto

della sua vita si metta ad assorbire tanta acqua aumentando il suo volume anche di

100 volte.

Rispondere a questo come mai richiede di rispondere a due domande:

Qual è il segnale che dice alla cellula di crescere?

Cosa succede in seguito alla percezione di questo segnale tale per cui la cellula

cresce?

Cominciamo dalla seconda domanda.

La cellula meristematica è sostanzialmente in una situazione in cui l'acqua si trova

all'equilibrio fra interno della cellula e l'ambiente esterno. L'acqua può entrare nella

cellula solo se il potenziale dell'acqua dentro la cellula diventa più negativo

rispetto a quello esterno, di modo che possa rimettersi all'equilibrio.

potenziale osmotico,

Il psi della cellula dipende da due componenti: il che è negativo

il potenziale di pressione

per definizione, e

Quindi ci sono solo due modi affinché psi della cellula possa diventare più negativo: o

aumenta la concentrazione osmotica del succo cellulare oppure psi diventa meno

P

positivo.

Una cellula può rendere più negativo il suo potenziale idrico quindi o accumulando

soluti o diminuendo la resistenza meccanica della parete cellulare.

Le cellule vegetali sono in grado di modificare il proprio potenziale idrico in tutti e due i

modi.

L'accumulo di soluti va bene per una situazione che deve essere reversibile, va meno

bene per un processo reversibile modificare la resistenza meccanica della parete.

Il valore di psi dipende dalla resistenza meccanica della parete.

P

Se si va a vedere cosa succede alle due componenti del potenziale dell'acqua durante

la crescita per distensione si vede che non viene mai misurato un aumento della

concentrazione dei soluti, semmai una leggera diminuzione, il che fa pensare che non

sia l'aumento della concentrazione dei soluti la forza drenante per fare entrare l'acqua.

In effetti si può misurare il fatto che nella transizione alla crescita per dimensione si ha

aumento della distensibilità della parete che equivale a dire diminuzione della

un

resistenza della parete. Questo si può misurare perché si può misurare la forza

necessaria per aumentare di tot la lunghezza.

Quello che fa sì che l'acqua entri nella cellula nella fase di crescita per

distensione è quindi un aumento della distensibilità della parete.

Quando parliamo di distensibilità possiamo avere due tipi di distensibilità diversa:

distensibilità plastica e distensibilità elastica (o reversibile).

La parete ha una distensibilità elastica che è conservata anche nella parete adulta e

che ha a che vedere con le distensioni della parete cellulare in funzione delle

variazioni del turgore. La distensibilità plastica invece è tipica della fase di crescita

ed è il suo aumento che determina l'aumento delle dimensioni durante la crescita per

distensione.

Se entrasse solo acqua come abbiamo detto, la componente osmotica del potenziale

idrico dovrebbe diventare più positiva. Questo però non accade quindi questo significa

che oltre all'acqua dovranno anche essere assorbiti soluti durante il processo di

crescita per distensione.

Parte di questi soluti saranno nutrienti e sali minerali. Questo è fondamentale per

l'omeostasi cellulare sia in termini di aumento di concentrazione dei diversi ioni sia in

termini di osmolarità.

Per riassumere: durante la crescita per distensione dunque si hanno modifiche

a livello della parete (distensibilità plastica) per cui si ha entrata di acqua e

assorbimento di soluti.

Qual è il sistema che innesca il processo e come si fa a far sì che inneschi il processo

di crescita per distensioni?

I segnali che innescano la crescita per distensione nei diversi organi della pianta,

tipicamente nelle zone subapicali, sono segnali ormonali.

Parentesi sugli ormoni: gli ormoni sono delle molecole segnale che svolgono un ruolo

fondamentale nella comunicazione all'interno degli organismi superiori multicellulari

differenziati.

Vengono definiti più o meno come molecole prodotte da un tipo cellulare, trasportate

nell'organismo e che agiscono su un altro tipo cellulare.

Agiscono significa che inducono una risposta. Sostanzialmente l'organo bersaglio

possiede delle proteine che sono recettori della sostanza ormonale.

recettore

Un è una proteina in grado di legare una molecola e in seguito a questo

legame modifica la sua attività biologica innescando un processo chiamato di

trasduzione del segnale che porta alla risposta fisiologica.

Che tipo di molecole sono gli ormoni?

Nell'uomo ne abbiamo fondamentalmente di due tipi: ormoni che sono in realtà

proteine oppure piccole molecole spesso lipofile.

Nelle piante sono sostanzialmente piccole molecole perchè c'è la parete cellulare che

costituisce un grosso blocco per la diffusione di grosse molecole.

Le piante hanno un loro sistema ormonale che è un po' più "confuso" di quello animale

nel senso che per gli ormoni vegetali è difficile individuare uno specifico sito di

produzione, non è netta quindi la definizione di sito specifico di produzione e non è

netta nemmeno la definizione di bersaglio specifico. Questo ha a che fare con il fatto

le piante hanno un livello di differenziamento molto più basso dei mammiferi

che

perchè hanno sviluppato una plasticità maggiore per quanto riguarda il reagire agli

stimoli esterni e modificare il loro percorso di vita in funzione di essi.

Principali classi (struttura e funzione simile) di ormoni che troviamo nelle piante:

- Il primo scoperto storicamente è l'auxina. La principale molecola auxinica è

l'acido indolacetico (IAA).

- Le giberelline (GA), sono di natura terpenica.

- L'acido abscissico (ABA), anche questo di natura terpenica.

- Le citochinine, sono dei derivati della adenina. Sono sostanzialmente delle basi

azotate.

- L'etilene, CH2CH2, è un gas con una solubilità molto bassa ed estremamente

volatile.

- Le brassine o brassinosteroidi, sono molecole steroidee.

Tutte queste sostanze ormonali vengono prodotte in diverse parti della pianta anche

se il luogo prevalente di sintesi può essere diverso.

Ciascuno di questi ormoni è in grado di influenzare diversi processi fisiologici in diversi

organi.

--> leggere il capitolo del libro che descrivere i principali effetti

Noi parleremo soltanto del meccanismo attraverso cui l'auxina regola la crescita

per distensione e di come l'acido abscissico regola l'apertura degli stomi.

Non solo ogni ormone può influenzare diversi processi ma è vero anche che diversi

ormoni possono influenzare lo stesso processo in modo diverso. Due ormoni possono

ad esempio essere antagonisti l'uno rispetto all'altro per quanto riguarda l'influenza

che hanno su un certo processo, oppure possono regolare lo stesso fenomeno in

organi e tipi cellulari diversi.

Per quest'ultimo caso possiamo fare un esempio.

Tutte le classi ormonali descritte sono in grado di regolare la crescita per distensione

ma diversi ormoni differiscono per organo di cui regolano la crescita per distensione

e/o per il tipo di effetto che hanno. epicotili coleottili.

L'auxina stimola la crescita per distensione tipicamente negli e nei

I coleottili sono strutture tipiche delle monocotiledoni che avvolgono la prima foglia di

queste piante come una guaina che la protegge nella fase di penetrazione attraverso il

L'apice del coleottile è un grande produttore di auxina

terreno. . Isolare i coleottili è

facilissimo.

Altrettanto la giberellina stimola la crescita per distensione ma tipicamente a livello

ipocotili.

degli foglie.

Le citochinine stimolano la crescita per distensione nelle sono

Le brassine stimolano la crescita per distensione un po' dappertutto, ma

sostanzialmente dei modulatori del processo. epicotili

L'acido abscissico è un inibitore della crescita per distensione negli e nei

coleottili, quindi è un inibitore della crescita per distensione indotta dall'auxina.

epicotili coleottili

L'etilene agisce su e ma non è in realtà né uno stimolatore né un

inibitore, è un modulatore della direzione di crescita. La crescita per distensione nei

fusti infatti avviene prevalentemente in modo longitudinale, quindi sono cellule lunghe

e strette. L'etilene fa in modo che invece queste cellule siano più corte e tozze.

meccanismo attraverso il quale

Questi ormoni si differenziano anche per il

determinano l'aumento della distensibilità plastica della parete.

La distensibilità plastica della parete può essere modulata in tanti modi. Tutti gli

ormoni che stimolano a crescita per dimensione aumentano la distensibilità

plastica della parete ma il meccanismo attraverso il quale agiscono è diverso.

Noi analizzeremo solo il meccanismo di azione dell'auxina.

L'auxina viene prodotta nell'apice nei coleottili.

Se voglio studiare il meccanismo di trasduzione del segnale dell'auxina tale per

cui la zona subapicale si metta a crescere devo studiare quali sono i primi fenomeni

biologici che succedono in seguito alla percezione del segnale dell'auxina.

Per far questo devo somministrare auxina in condizioni controllate quindi devo

separare la zona che risponde dalla sua fonte di auxina in modo da poter poi

somministrarla io a concentrazioni note.

La parete si estende di più nei segmenti trattati con auxina.

Come fa l'auxina ad aumentare la distensibiltà plastica della parete?

I coleottili hanno una cuticola che li rende impermeabili.

I ricercatori sono andati a vedere come la crescita veniva influenzata se veniva

distrutta la cuticola, ossia se si rendeva la parete delle cellule di coleottili a diretto

contatto.

Hanno preso dei segmenti con cuticola, segmenti senza cuticola, li hanno messi in un

mezzo tamponato con un pH a cui normalmente si trovano allo stato stazionario (6.5)

e in presenza di auxina.

- Hanno visto che nei segmenti integri, come veniva somministrata l'auxina, si

aveva un rapido aumento della velocità di crescita (= allungamento dei

segmenti).

- Nei segmenti abrasi (= senza cuticola), con o senza auxina, la velocità di

crescita era la stessa.

Hanno poi rifatto l'esperimento senza mettere il tampone, in un mezzo in cui il pH

poteva variare, e i campioni abrasi con somministrazione di auxina crescevano.

l'auxina fa variare il pH.

Conclusione:

Sono andati a misurare cosa succedeva al pH extracellulare quando veniva

somministrata auxina.

la somministrazione di auxina faceva sì che i segmenti acidificassero

Hanno visto che

il mezzo di incubazione.

Sappiamo quindi che uno degli effetti precoci dell'auxina è quello di acidificare il

mezzo, e se lo impedisco la crescita non avviene.

Come fa l'auxina a stimolare l'acidificazione?

Stimola l'attività dell'H+ ATPasi.

Viene fatto un esperimento somministrando un inibitore dell'H+ ATPasi, il vanadato,

per dimostrarlo.

Il vanadato è un analogo del fosfato. Si mette nel sito dell'ATPasi che normalmente

viene fosforilato durante il ciclo catalitico impedendo la formazione dell'intermedio

fosforilato e quindi il ciclo catalitico dell'ATPasi di tipo P.

L'altro dato è che: sappiamo che possiamo stimolare l'attività dell'H+ ATPasi

somministrando fusicoccina. La crescita in questo modo viene stimolata ancora di più.

la stimolazione dell'attività dell'H+ ATPasi e la conseguente

Questo fa pensare che

acidificazione dello spazio extracellulare siano sufficienti per innescare il processo di

crescita.

Se i coleottili venissero incubati in un mezzo acido la crescita quindi dovrebbe essere

stimolata.

Questo effettivamente avviene.

I campioni vengono incubati in un tampone a diversi pH tra 4 e 6,5, o in acqua senza

campione.

La velocità iniziale di crescita aumenta al diminuire del valore del pH nel mezzo di

incubazione.


ACQUISTATO

4 volte

PAGINE

207

PESO

24.27 MB

AUTORE

cohenous

PUBBLICATO

9 mesi fa


DESCRIZIONE APPUNTO

Dispensa completa contenente gli appunti di tutte le lezione del corso e corretti/integrati ascoltando le registrazioni delle lezioni stesse che sono state sbobinate. In più sono presenti grafici e immagini dei lucidi presi a lezione, nonché formule di reazione e formule di struttura dei composti.
Inoltre ci sono esempi svolti e corretti degli esercizi che saranno presenti nel tema di esame.
Esame passato con 29 studiando solo da questi appunti senza necessità di integrare con il libro o di acquistarlo in quanto inutile.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
Università: Milano - Unimi
A.A.: 2017-2018

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher cohenous di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia vegetale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Milano - Unimi o del prof De Michelis Ida.

Acquista con carta o conto PayPal

Scarica il file tutte le volte che vuoi

Paga con un conto PayPal per usufruire della garanzia Soddisfatto o rimborsato

Recensioni
Ti è piaciuto questo appunto? Valutalo!

Altri appunti di Corso di laurea in scienze biologiche

Fisiologia generale e animale
Appunto
Riassunto esame di Biologia dello Sviluppo Animale
Appunto
Zoologia Generale pdf
Appunto
Anatomia comparata
Appunto