Riassunto esame Fisiologia vegetale, prof. Federico, libro consigliato Fisiologia vegetale, Taiz -ediz.2004

Parte I: Artet trasporto e traslocazione di acqua e soluti

La prima parte del libro parla di concetti generali di botanica, come è fatta una cellula vegetale, o di concetti di biochimica, come il funzionamento degli enzimi, il concetto di energia libera e di potenziale. Quella parte non è riassunta.

L'acqua e le cellule vegetali

In questo capitolo si studia il movimento dell’acqua dentro e fuori le cellule. L’acqua è il componente essenziale degli esseri viventi. Nelle piante, per ogni grammo di sostanza organica formata, vengono assorbiti, traslocati nelle varie parti e poi persi per evaporazione circa 500 grammi d’acqua. Anche piccole variazioni da questo valore standard possono provocare dei danni gravi nella pianta, che deve riuscire a gestire contemporaneamente il bisogno di assorbire l’anidride carbonica e quello di non disidratarsi.

Il corpo di una pianta è costituito per l’80/90% di acqua, contenuta per lo più nel vacuolo. I semi, che possiedono “solo” il 5/15% d’acqua, sono fra i tessuti vegetali più secchi. Questa grande quantità d’acqua viene usata sia per mantenere la pressione di turgore, necessaria per numerosi processi fisiologici (scambi gassosi, espansione cellulare, …) e per conferire rigidità ai tessuti non legnosi, sia come solvente (influenza la struttura delle proteine, le reazioni chimiche, il trasporto delle molecole).

Il fatto che l’acqua sia sempre presente, però, non deve far pensare che sia un componente statico della pianta: in un giorno caldo, essa può scambiare anche il 100% del suo contenuto idrico in un processo detto traspirazione. La traspirazione contribuisce anche alla dispersione del calore: l’acqua possiede dei forti legami interni che la trattengono in fase liquida. Il passaggio in fase gassosa li rompe e libera calore.

Struttura e proprietà dell'acqua

Struttura

Le caratteristiche fisiche e solventi dell’acqua derivano dalla sua forte coesione interna. Una molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, legati all’ossigeno da un legame covalente ciascuno, in modo da formare un angolo di 105°. La forte differenza di elettronegatività fra H e O conferisce alla molecola un carattere polare, per cui l’ossigeno ha una parziale carica negativa ed i due idrogeni positiva (pag. 73). Non si può dire che l’acqua abbia una carica netta perché la somma del valore fra cariche positive e negative è zero.

L’unione di più molecole d’acqua avviene tramite la formazione di legami H tra molecole differenti, e si verifica nel momento in cui il legame H-O di una molecola si dirige verso la nube elettronica libera dell’O di un’altra. In questa situazione, H-O diventa un gruppo donatore, come un acido debole, mentre l’O spaiato diventa un gruppo accettore, come una base debole.

In realtà la forza del legame H è molto piccola, pari a circa 20 kj mol^-1, contro i 460 del legame covalente O-H. Esistono però così tante possibilità di formare legami H, che questo diventa essenziale nel fornire la forma tridimensionale alle molecole.

La struttura del ghiaccio offre un ottimo esempio di forza cumulativa dei legami H. Nel ghiaccio la forma della molecola d’acqua si espande, perché ogni molecola è circondata da altre quattro con cui forma un tetraedro. In questa posizione, la molecola centrale funge da accettore verso due molecole e da donatore verso le altre due. L’importanza dell’espansione (e dunque della minor densità e peso) dell’acqua allo stato ghiacciato è enorme: se infatti l’acqua si condensasse allo stato ghiacciato, le grandi lastre di ghiaccio sui mari del Nord si depositerebbero sul fondo uccidendo la vita, che non sarebbe mai potuta esistere.

Anche nell’acqua allo stato liquido ogni molecola è circondata da altre quattro, ma i legami H sono distorti e irregolari. Si possono formare anelli da 4 a 7 termini, al contrario che nel ghiaccio in cui i termini sono sempre 6. In ogni caso, il ghiaccio e l’acqua allo stato liquido hanno in comune più dell’85% di legami H.

La forza dei legami H intermolecolari è abbastanza intensa da far sì che la temperatura di ebollizione dell’acqua sia, ad esempio, molto più elevata rispetto a quella del metano, sebbene abbiano lo stesso peso molecolare.

L'acqua come solvente

L’acqua è un solvente eccellente. A volte viene addirittura definita “solvente universale”, ma la definizione è errata visto che non può sciogliere le sostanze idrofobiche (non polari). L’acqua è un buon solvente sia perché è una molecola piccola e dunque può infilarsi dappertutto, sia perché ha carattere polare e dunque scioglie bene le sostanze ioniche come zuccheri e proteine polari: si insinua fra le molecole polari e si lega a queste prima che possano legarsi fra loro e diminuire la solubilità. Stessa cosa vale per il legame con le macromolecole, attorno alle quali l’acqua forma una struttura chiamata conchiglia di solubilità.

Proprietà dovute alla coesione delle molecole d'acqua

La coesione (attrazione reciproca) fra molecole d’acqua comporta l’insorgere di alcune speciali caratteristiche. La prima di queste è l’aumento del calore specifico, cioè dell’energia richiesta per innalzare la temperatura di una sostanza di 1°C. Quando la temperatura dell’acqua aumenta, le sue molecole vibrano più velocemente e potrebbero spezzarsi. Poiché la coesione aumenta il calore specifico, la rottura dei legami interni delle molecole d’acqua avviene a temperature più alte di quelle solite. Questa proprietà rende la pianta più tollerante nei confronti delle variazioni di temperatura (ovviamente però intervengono talmente tanti fattori nel regolare la tolleranza di una pianta che non si può relegare tutta la responsabilità alla coesione dell’acqua).

La seconda proprietà acquistata con la coesione delle molecole d’acqua è un aumento del calore latente di evaporazione, cioè dell’energia richiesta per separare le molecole dalla fase liquida e portarle in fase gassosa ad una temperatura costante. I valori di calore latente di evaporazione (così come quelli di calore specifico) dell’acqua sono molto alti, cioè c’è bisogno di molta energia per rompere i suoi legami intermolecolari. Le molecole d’acqua che si trovano sulla superficie, quindi, non evaporano facilmente: sono più attratte dalle molecole d’acqua circostanti che non da quelle presenti in fase gassosa. È come se ognuna di esse esercitasse una spinta verso il basso per trattenersi in fase liquida: questa spinta prende il nome di tensione superficiale e sarà molto importante nello studio del flusso dell’acqua nella pianta.

Le molecole d’acqua, comunque, hanno una forte affinità non soltanto per legarsi fra loro, ma tendono ad associarsi anche con altre molecole in fase solida (questa proprietà è detta adesione – vale sia per le molecole d’acqua singole che per quelle già legate). Tensione superficiale, coesione e adesione determinano il fenomeno della capillarità, per cui una certa quantità di molecole d’acqua riesce a risalire un tubo di vetro pulito: l’adesione permette alle molecole d’acqua di aderire a quelle che compongono il tubo di vetro, per risalirlo; la tensione superficiale esercita una forza sulle molecole d’acqua che si sviluppa appena sotto la superficie; la forza di coesione fra le molecole d’acqua impedisce che la colonna d’acqua in ascesa si rompa.

Grazie al fenomeno della capillarità, il mesofillo (un tessuto della foglia direttamente esposto all’aria) riesce a risucchiare acqua dai vasi senza seccarsi. Un’altra proprietà dovuta alla coesione è la forza di tensione, la capacità di resistere a forze di trazione. La forza di tensione può essere misurata inserendo dell’acqua in una siringa incappucciata (pag. 75). Premendo il pistone si genera nella siringa una pressione idrostatica positiva. La pressione si misura in pascal (Pa) ed equivale alla forza per unità di superficie. Se invece di premere, tiriamo il pistone, si genera una pressione idrostatica negativa. Quando la sua forza è maggiore di quella che tiene unite le molecole d’acqua, la colonna d’acqua nella siringa si rompe.

Se nell’acqua sono disciolti dei gas, la forza di tensione diminuisce: una piccola bolla di gas nella colonna d’acqua della siringa può espandersi fino a rompere la colonna e provocarne il collasso. Questo effetto è chiamato cavitazione e può provocare effetti devastanti sul trasporto idrico nello xilema.

Sistemi di trasporto dell'acqua

Diffusione

Le molecole d’acqua in soluzione sono molto dinamiche: collidono e si scambiano energia continuamente. La diffusione è il processo attraverso il quale le molecole si rimescolano in seguito alla loro agitazione termica casuale. Se non ci sono altre forze che intervengono, la diffusione è guidata dai gradienti di concentrazione, in modo che le molecole si muovano da zone a concentrazione maggiore verso zone a concentrazione minore. La densità di flusso (velocità di trasporto del soluto nel solvente) è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione.

Consideriamo delle molecole di soluto tutte concentrate in un punto: la diffusione sarà rapida per un breve raggio, ma mano a mano che le molecole si allontanano, procederà più lentamente. Questo perché il gradiente di concentrazione diventa meno forte e quindi il movimento è più lento. È stato osservato che, se una pianta di medie dimensioni fosse formata da una sola cellula e quindi il trasporto delle sostanze fosse unicamente affidato alla diffusione, una molecola al suo interno impiegherebbe circa 30 anni per muoversi di un metro. Di conseguenza, è fisicamente impossibile immaginare un organismo molto esteso in forma unicellulare, ma che deve avere un’organizzazione pluricellulare e degli appositi sistemi di trasporto rapido.

La densità di flusso dipende anche dal coefficiente di diffusione, cioè dalla capacità di una molecola di muoversi attraverso uno specifico mezzo (cosa che dipende sia dalla grandezza della molecola che dalle caratteristiche del mezzo).

Flusso di massa

Il flusso di massa è il movimento di un gruppo di molecole in risposta ad un gradiente di pressione, come può essere il flusso di un fiume, la caduta della pioggia o il movimento dell’acqua nel suolo. È il maggiore responsabile del trasporto a lunga distanza dell’acqua nello xilema (dalle radici alle foglie). Il flusso di massa è molto sensibile alle dimensioni del contenitore in cui deve passare, per cui, ad esempio, nelle tubature il raggio viene calcolato con un esponente alla quarta. Viceversa, la concentrazione di soluto non lo modifica affatto.

Sistemi di trasporto dell'acqua: l'osmosi

L’osmosi è il movimento di un solvente attraverso una membrana, per il quale rappresenta una barriera. Come la diffusione ed il flusso di massa, l’osmosi è un processo spontaneo e dipende sia dal gradiente di concentrazione che da quello di pressione. La somma di questi due gradienti determina la formazione di una forza motrice indicata come gradiente del potenziale idrico.

Le membrane cellulari sono selettivamente permeabili, cioè permettono lo spostamento di piccole molecole non cariche, ma non quello di molecole cariche, di grandi dimensioni o di ioni: l’osmosi quindi coinvolge il movimento di diffusione di singole molecole non cariche attraverso il doppio strato. Se sono presenti dei pori nella parete, però, l’osmosi comprende anche il flusso di massa attraverso il poro. Il tipo di selettività della parete dovrebbe impedire il passaggio delle molecole d’acqua (grosse e polari), eppure esse riescono ad attraversarla passando attraverso delle acquaporine, proteine integrali di membrana che formano un canale selettivo per l’acqua. A seconda dello stato di fosforilazione delle proteine presenti nel canale, possono passare più o meno molecole d’acqua.

Il potenziale idrico

Il potenziale idrico dell’acqua indica l’energia libera associata all’acqua per unità di volume. L’energia libera rappresenta il potenziale disponibile per compiere un lavoro. Il potenziale idrico è un valore relativo, perché indica la differenza fra il potenziale di una sostanza in un determinato stato e quello della stessa sostanza a riposo. Viene misurato in joule (j – energia per mole di sostanza). Il potenziale idrico è anche una misura dello stato idrico della pianta e, di conseguenza, del suo stress idrico.

Tre fattori influenzano il potenziale idrico (Ψ): concentrazione dei soluti (Ψ_s), pressione idrostatica (Ψ_p) e gravità (Ψ_g), tali che Ψ = Ψ_s + Ψ_p + Ψ_g.

• Ψ_s: anche definito potenziale osmotico. La presenza dei soluti diminuisce l’energia libera dell’acqua (aumenta il disordine del sistema), aumenta il punto di ebollizione ed abbassa il punto di congelamento. Tutte queste sono proprietà colligative, perché dipendono dal numero delle molecole di soluto e non dalla loro natura. Il potenziale osmotico può essere misurato usando l'equazione di Van't Hoff, per cui Ψ_s = -RTc in cui R è la costante dei gas, T è la temperatura e c è la concentrazione dei soluti in un litro di soluzione (osmolarità).
• Ψ_p: pressioni idrostatiche positive innalzano il potenziale idrico, viceversa quelle negative. All’interno della cellula in genere la pressione idrostatica ha valore positivo ed è definita pressione di turgore; nello xilema assume un valore negativo e viene detta tensione.
• Ψ_g: l’effetto della gravità sul potenziale idrico è direttamente proporzionale all’altezza (h) dell’acqua sopra un livello di riferimento, alla densità dell’acqua (ρ) ed all’accelerazione di gravità (g). comunque, questo parametro non viene considerato quasi mai.
• Ψ_m: a questi parametri se ne aggiunge un quarto, il potenziale di matrice. Esso sostituisce il potenziale idrico nel calcolare l’energia libera dell’acqua quando questa è ridotta ad un sottile strato (es. sulle pareti cellulari, oppure nei materiali o suoli secchi). Rappresenta l’unione dei parametri Ψ_p e Ψ_s.

Potenziale idrico ed osmosi

Questi parametri possono essere applicati allo studio della variazione di volume della cellula in una soluzione, nella quale la concentrazione dei soluti sia maggiore o minore di quella presente nella cellula. Il movimento della massa d’acqua dentro o fuori la cellula è guidato dai valori di potenziale idrico, per cui l’acqua si muove da soluzioni a potenziale idrico maggiore a soluzioni a potenziale idrico minore.

Consideriamo una cellula “flaccida” (con pressione interna uguale a quella ambientale – quindi il parametro pressione idrostatica non influisce sull’esperimento) che possieda una concentrazione di sali tale che il suo potenziale osmotico assuma un valore negativo abbastanza basso. Questa cellula viene immersa in un contenitore privo di coperchio (quindi anche in questo la pressione ambientale è uguale a quella interna), che abbia una concentrazione di sali più bassa di quella della cellula: il suo potenziale osmotico è, quindi, maggiore (meno basso) di quello della cellula. L’acqua passa dal contenitore alla cellula, cioè da un composto a potenziale idrico maggiore ad uno a potenziale idrico minore.

L’ingresso dell’acqua è contrastato dalla presenza della parete cellulare tanto che, dopo poco, la Ψ_p della cellula si è innalzata talmente da far combaciare il suo Ψ con quello del contenitore. A questo punto cessa il trasporto dell’acqua. Se, viceversa, avessimo immerso la cellula in un contenitore in cui la concentrazione di sali era più elevata, il potenziale osmotico del contenitore sarebbe stato più negativo di quello della cellula. L’acqua sarebbe passata dalla cellula al contenitore e sarebbe gradualmente diminuito il volume cellulare, abbassando così anche Ψ_p e, di conseguenza, Ψ. Il passaggio dell’acqua fuori dalla cellula sarebbe continuato finché il potenziale idrico della soluzione non avesse uguagliato quello dell’acqua.

Se schiacciamo la cellula, la sua Ψ_p aumenta ed aumenta anche Ψ, in modo che l’acqua sia spinta ad uscire dalla cellula. Se manteniamo la pressione sulla cellula, dopo un po’ ritroverà l’equilibrio con la soluzione nel contenitore, ma i valori saranno molto cambiati perché la concentrazione di sali interna alla cellula è aumentata in relazione al suo volume. Da queste osservazioni, possiamo dedurre che il movimento di un flusso d’acqua è passivo, cioè si muove in risposta a forze fisiche che non può contrastare (non ci sono pompe per l’acqua, a meno che questa non venga spostata assieme a dei soluti). Inoltre, in funzione di questi dati possiamo capire meglio cosa si intende quando si dice che le differenze di potenziale idrico sono la forza motrice del trasporto (forza motrice = ΔΨ_w).

Considerazioni sulla pressione di turgore

Consideriamo la cellula flaccida inserita nel contenitore precedente. L’ingresso dell’acqua provoca un aumento del volume...