Fisiologia Vegetale - Appunti, tutte le lezioni - a.a. 2015/2016 PDF

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Appunti di Fisiologia Vegetale presi a lezione e riportati dalle registrazioni in classe...

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Fisiologia Vegetale Appunti di Leandro Bruno Integrazione di discipline (chimica,fisica,matematica,biochimica,botanica,fisiologia) per lo studio di processi che permettono alle piante di vivere, svilupparsi, riprodursi.

Cellula Vegetale 

  

Cloroplasti Parete Cellulare Vacuolo (Il volume è generalmente occupato al 90% dal vacuolo e questo permette un volume minore di citoplasma)

Parete Cellulare Struttura poligonale che delimita e da forma alla cellula. Le sue funzioni principali sono: - Supporto strutturale e meccanica - Resistenza alla pressione di Turgore - Controlla la crescita - Architettura e Forma - Regolazione della diffusione delle sostanze attraverso l’apoplasto (le parete è permeata da sostanze idrofile) - Protezione da patogeni e disidratazone ambientale - Fonte si molecole segnale - Interazione cellula-cellula La parete non è continua ma comunica con le altre cellule tramite i plasmodesmi. La composizione è molto eterogenea. La parete è costituita da vari tipi di molecole, quindi è molto eterogenea. Distinguiamo una fase: 1) Microfibrillare costituita da Cellulosa, un polimero del glucosio con legami β-1,4 glicosidici per sottrazione di una molecola di acqua. È pensata come una lunga catena con i monomeri legati tra loro. Un glucosio è ruotato di 180 gradi l ’uno rispetto agli altri e questo fa si che entrambi lefacce della molecola siano uguali e in questo modo la cellulosa è lineare. In questo modo si organizza in microfibrille. Questo sistema è resistente alla trazione e agli attacchi enzimatici. Nello spazio le molecole sono legate in modo molto ordinato perchè ci sono tanti gruppi ossidrilici che possono svolgere die legami a idrogeno. In tal modo cementano le varie microfibrille rendendola molto ressitente.

2) Matrice: le microfibrille di cellulosa si trovano nella matrice. La matrice è costituita da emicellulosa, sostanze pectiche e proteine. Le Emicellulose sono costituiti da polimeri di zuccheri ramificati (e non linearei come nella cellulosa). Fra le emicellulose abbiamo gli xilani, glucani, xiloglucani. Sono molecole idrofile (i gruppi OH legano l ’acqua). Le pectine sono polisaccaridi acidi (c’è un gruppo acido: il gruppo carbossilico). Sono polimeri ricchi di monomeri di acido galatturonico. I gruppi carbossilisici possono essere associati oppure dissociati ( a seconda del pH: se è acido il gruppo carbossilico si dissocia). Quindi queste pectine sono cariche negativamente perchè il pH dell’apoplasto si aggira a 4,5. Il fatto di avere il gruppo carbossilico dissociato può permettere ad esso di legarsi ad uno ione positivo. Il calcio (ione bivalente insieme al magnesio) può legarsi rendendo la parete più rigida La dinamicità della parete prende il nome di reostasi e dipende se di come sono assemblate le pectine con gli ioni bivalenti.

Nella parete vi sono degli enzimi che opreano un sacco di cose come per esempio le HRGPs, riicche di idrossiprolina che attraverso i loro legami contribuiscono a formare lo scheletro della parete stessa. Espansina è coinvolta nell ’estensione della parete mentre l’Estensina è coinvolta nella difesa dei patogeni. La parete è sintetizzata dalle vescicole, esclusa la cellulosa che invece chè sintetizzata sulla parete dall’enzima cellulosa-sintasi che si trova sulla mura plasmatica. Tutti questi componenti sono assemblati attraverso legami covalenti con sottrazione di una molecola di acqua e tra legami a idrogeno, o tra legami ionici (il calcio monovalente) oppure per interazione idrofobiche. Esiste anche la parete secondaria dov’è presenta la lignina per la formazione del legno. La lignina da resistenza compresione e tensione (costituito da cellule morte) ed è un polimero di natura fenolica con sottrazione di una molecola di acqua. Tra le varie funzioni della parete bisogna ricordarci il trasporto intercellulare dell’acqua e die soluti attraverso le vie: - Apoplastica: tutto l’iniseme delle pareti e degli spazi intercellulari del tessuto e può trasportare per semplice diffusione piccole molecole idrofile (zuccheri,proteine ormoni, gas) - Simplastica: comunicazione del citosol tramite i plasmodesmi con scambio di piccole sostante (ioni,peptidi, amminoacidi lineari, virus). I plasmodesmi sono sluzioni di continuità del citosol attraversati da reticolo endoplasmatico (funziona tipo filtro).

Plasmalemma Barriera selettiva che delimita la cellula costituita da lipidi, proteine e zuccheri. I lipidi presenti nella membrana sono i fosfolipidi. Essi sono costituiti da glicerolo esterificato con 2 molecole di acidi grassi e un gruppo fosfato (con perdita di 3 molecole di acqua). In questo caso gli acidi grassi sono di tipo insaturo ( caratteristicha delle cellule vegetali). Questi grassi insaturi garantiscono la fluidità delle cellule. Vi sono anche i glicolipidi in cui la parte polare è lo zucchero. Sono presenti anche gli steroli (colesterolo che in questo caso si chiamano fitosteroli). Tutte le parti polari sono rivolte verso l’acqua (le teste) mentre le code idrofobe sono rivolte una verso l’altra. Le proteine possono essere integrali ( sono transmembrana e si legano tramite legami covalenti) o periferiche ( cioè si legano con legami deboli ai fosfolipidi). Le proteine hanno un orientamento caratteristicho (i fotosistemi funzionano solo e soltanto se si trovano in una determinata posizione), che ne pregiudica la funzione della proteina stessa. La posizione è garantita dalla presenza delle doppie eliche transmembrana e da inserzioni di polisaccaridi. Le membrane biologiche hanno una premeabilità selettiva alle differenti molecole; le molecole di natura lipidica passano direttamente le membrane mentre le molecole idrofile hanno bisogno die trasportatore: -

Diffusione Semplice: Ossigeno, Anidride Carbonica, Azoto, Benzene (idrofobe – lipofile), piccole molecole polari non cariche (acqua, glicerolo, etanolo). Gli ioni richiedono la presenza di canali Diffusione Facilitata: amminoacidi, zuccheri e nucleoridi non passano e richiedono la presenza di trasportatori detti carriers

Una membrana risce a scambiare quello che la cellula desidera solo se ai due lati della membrana esiste una differenza di potenziale (altrimenti non funzionano). La differenza di potenziale è generata dalla distribuzione asimmetrica (poco dentro la cellula e molto fuori dalla cellula o viceversa) di una molecola con carica elettrica. Per calcolare la differenza di potenziale e il potenziale di membrana abbiamo bisogno di 2 cose: - Potenziale Chimico dei soluti: esso (energia (Joule/moli)) di qualsiasi soluto i è definito dalla seguente formula: * Ei = Ei + RTlnCi + zFE RTlnCi = componente della concentrazione del soluto Zfe = componente della carica elettrica del soluto Il potenziale chimico quindi dipenderà da questi 2 fattori: concentrazione e carica. Come il potenziale chimico influenza il movimento di netto di una molecola? Il moevimento va da un potenziale chimico maggiore a un potenziale chimico minore. Se la specie è neutra sarà solo il gradiente di concentrazione (diversa concentrazione ai 2 lati) a influire sul passaggio delle molecole. All’equilibrio i due flussi (sostanza in A passa in B ) sono uguali ( B va in A) e essendo questi proporzionali alle forze motrici, saranno uguali anche i potenziali. Se eguagliamo i potenziali chimici di A e B otteniamo l’equazione di Nerst. -

Equazione di Nerst A

B

B

A

E – E = (RT/zF) x ln(Ci / Ci ) C’è quindi una proporzionalità tra la differenza di potenziale e di concentrazione. All’equilibrio la differenza di conc. di uno ione fra i due scomparti è bilanciata dalla differenza di voltaggio fra gli scomparti stessi. La distribuzione di una sostanza dipenderà quindi dal suo gradiente di concentrazione e dalla differenza di potenziale ai capi della + membrana. Nelle piante la differenza di potenziale è data dallo ione H (NON C’E‘ LA POMPA SODIO/POTASSIO), quindi l’Equazione di Nerst a condizioni standard sarà:

ΔE = 59 log (H

+o

+i

/ H ) = 59 ΔpH

Se c’è una distribuzione asimmetrica del protone fra interno ed esterno c’è qualcuno che fa il lavoro + e questo qualcuno è la proteina H - ATPasi: questa, scindendo ATP, sposta controgradiente gli ioni idrogeno fuori dalla cellula (il quale tende a tornare all’interno). Si trova sul plasmalemma e riesce a creare una differenza di potenziale di -120 mV (interno negativo ed esterno positivo).

+

L‘ H - ATPasi ha un sito di affinità per il protone in cui ci si lega. Utilizza l’ATP e si autofosforila, cioè utilizza un fosfato dall’ATP che diventa ADP. Questo porta ad un cambiamento confomazionale che porta al rilascio dell’idrogeno fuori dalla cellula (non è più affine). Dopodichè, la proteina idrolizza il proprio fosfato (fosfatasi) e lo rilascia tornando alla confomarzione iniziale. La pompa protonica è costituita da 5 domini: - N: che funge da chinasi su se stessa (quindi lega l’ATP al sito P e lo scinde in ADP, che viene rilasciato, e gruppo fosfato che si lega al dominio P) - P: ha attività di fosfatasi cioè rimuove il gruppo fosfato da se stessa per tornare allo stato conformazionale iniziale - M: sito di legame dell’idrogeno ( lo lega nel primo stato conformazionale prima di legarsi con ATP) - A: permette l’ingresso dello ione idrogeno (questo è chiuso quando lo ione idrogeno deve essere rilasciato all’esterno) - R: sito regolatore che se fosforilato da una chinasi permette la funzione della proteina, altrimenti rimane attaccato alla proteina inibendola (la proteina è chiusa su se stessa) +

+

H - ATPasi si trova anche sulla membrana del tonoplasto (la V) detta H - PPasi in quanto utilizza il pirofosfato scindendolo in fosfato inorganico come fonte di energia per svolgere la sua funzione che è quella di portare gli ioni idrogeno dentro il vacuolo generando una differenza di potenziale di -90 + mV (2 per ogni PPi e non uno per ogni ATP cone nel caso dell‘H - ATPasi della mebrana plasmatica). A livello die mitocondri e nei plastidi vi sono le ATPsintasi, che utilizzano i protoni + per sintetizzare ATP. H - PPasi è una proteina dimerica che ad ogni ciclo scangiano 2 protoni. Allo stato di partenza vi sono vari amminoacidi negativi. Quando arriva il pirofosfato e il primo protone, il secondo protone si lega a 2 residui di aspartato e in questo modo cominciano a diasemblarsi le + attrazioni tra i residui positivi e H . L’idrogeno legato al glutammato viene espulso perchè esso viene coordinato dalla carica pisitiva della lisina. Il protone legato al primo aspartato passa all’aspartato più basso perchè quallo precedente è coordinato da una arginina. Tutto questo grazie all’idrolisi del pirofosfato. Il secondo protone passa dall’asparato al glutammato e il ciclo si ripete ( il fosfato non si sa ancora dove si lega). Nelle cellule vegetali vi sono altre ATPasi tra cui quella del calcio (sia sul plasmalemma sia sul vacuolo). Queste hanno il compito di portare fuori il calcio oppure portarlo all’intenro del vacuolo con utilizzo di ATP e questo perchè il calcio risulta molto tossico perchè può precipitare sottoforma

di fosfato di calcio e togliere il fosfato libero alla cellula è pericoloso perchè è coinvolto nella sintesi dell’ATP. La presenza quindi di vari tipi di pompe permette il trasporto di membrana e può essere di tipo passivo, secondo di gradiente di concentrazione (segue la legge di Fick) in cui la velocità di trasporto dipende dal gradiente di concentrazione della sostanza fra i 2 punti. Poi abbiamo la diffusione facilitata che segue la lege di fick ma in questo caso vi sono i trasportatori che facilitano il trasporto (carrier, canali). Il trasporto passivo è molto minimo rispetto a quello attivo che va controgradiente di concentrazione con spesa di ATP. Se queste lo scindono in modo diretto si chiama trasporto attivo primario, mentre il secondario utilizza ATP in modo indiretto: le molecole che devono passare utilizzano il gradiente di concentrazione della sostanza che è passata per trasporto attivo primario. Il trasporto attivo secondario può essere effettuato da canali (proteine transmembrana) che permetto il trasporto di molecole cariche! (solo loro) secondo il loro gradiente elettrochimico. Posso essere sempre aperti oppure possono essere regolati da meccanismi di fosforilazione o cambiamenti di voltaggio. Il canale è un poro selettivo che lega un determinato ione per lasciarlo passare. I carriers trasportano molecole non cariche secondo gradiente o controgradiente attraverso delle pompe ( spesa diretta di energia) o attraverso i meccanismi di simporto e antiporto (spesa indiretta di energia). In questo sistema una molecola si muove secondogradiente mentre un‘altra controgradiente (trasporto attivo secondario) Traducendo il tutto nella cellula vegetale +

L‘ H - ATPasi porta fuori gli ioni idrogeno controgradiente (con spesa diretta di ATP – trasporto attivo primario). Questo genera una differenza di potenziale che provoca il movimento di molecole + cariche attraverso i canali ( i cationi entrano (K ) in quanto l ’interno della celula è negativo e gli anioni escono) e di conseguenza il trasporto di molecole neutre attraverso gli antiporti o i simporti con le cariche stesse. Nel tonoplasto succede la stessa cosa ma in modo inverso. La cinetica del trasporto die carriers segue la cinetica enzimatica. il trasporto di tutti questi scambi di ioni idrogeno fuori dalla cellula porta a variazioni di pH che il citosol non può sopportare; la cellula quandi ha creato un sistema di tamponamento del pH in cui l’acido fosfoenolpiruvico viene carbossilato ad acido ossalacetico che poi viene ridotto dal NADH trasformandosi in acido malico che poi rilascia 2 ionio idrogeno nel citosol. La fosfoenolpiruvato carbossilasi e la malato-deidroginasi si attivano + solo se il pH del citosol si alza in risposta all’uscita degli ioni H . Il pH viene mantenuto a 7.0-7.5

POTENZIALE IDRICO È il potenziale chimico dell’acqua nella pianta che si differenzia nella varie parti della essa (compresa l’atmosfera) ed è ciò che determina il movimento dell’acqua nelle varie parti della pianta. Se prendiamo 2 compartimenti contenenti una soluzione dove la concentrazione di soluto è maggiore in B rispetto ad A, il potenziale chimico dell’acqua sarà maggiore in A (dove c’è meno soluto). Il potenziale chimico dell ’acqua pura è zero (non di più); quindi essendoci un potenziale chimico di acqua maggiore in B, essa si sposta da A a B fino ad avere una condizione di equilibrio dinamico data da 2 fattori: la concentrazione dell ’acqua e la pressione. Via via che la soluzione B aumenta di volume, vi è una pressione che si oppone al passaggio dell ’acqua. Se B è più concentrato ma io voglio impedire il passaggio di acqua da A a B devo esercitare una pressione a B che è uguale al potenziale osmotico della soluzione. Esso è generato dalla forza con cui l ’acqua lega un soluto e dipenderà dalla concentrazione molare del soluto, dal coefficente di Van’t Hoff (numero di atomi), per R e per T. Se ci applichiamo una pressione uguale ma di segno opposto al potenziale osmotico non si ha il passaggio di acqua. Tale pressione (di segno positivo) è detta pressione osmotica. Dato che le membrane cellulari hanno permeabilità selettiva e scelgono cosa far passare avremo una concentrazione di soluti diversa da quella dell‘ apoplasto e questo genererà il movimento dell’acqua per differenza di concentrazione tra l’interno e l’esterno ( questa

+

differenza è mantenuta dall‘ H -ATPasi. Nel caso di una cellula vegetale il movimento dell’acqua attraverso la membrana dipende da 2 cose: - Gradiente di Concentrazione dell‘ Acqua (inversamente proporzionale a quello die soluti) - Gradiente di Pressione ( dovuto alla presenza della parete) Questi 2 fattori si combinano per dare il potenziale idrico dell’acqua e le sue differenze generano l’intensità e i movimenti dell’acqua stessa.

Ψ = Ψ* + f (conc) + f(press) Ψ = potenziale idrico * Ψ = potenziale idrico a condizioni standard che per l’acqua pura è uguale a zero per convezione (lo eliminiamo) Il potenziale idrico si misura in megapascal (MPa). L’atmosfera ha 0,1 MPa di pressione. Gli altri 2 fattori che determinano la natura del potenziale idrico sono il fattore concentrazione (concentrazione dell’acqua - ragionando in termini di conc. dei soluti che ovviamente sono inversamente proporzionali) e anche il fattore pressione ( per la presenza della parete). Il fattore concentrazione rappresenta l ’effetto della concentrrazione dell ’acqua sul potenziale idrico: cioè se la conc. dell’acqua aumenta, Ψ va verso lo zero (verso valori positivi). Ma abbiamo appena detto che non andiamo a misurare la conc. dell ’acqua ma quella die soluti in essa disciolti ( che quindi saranno inveramente proporzionali ad essa). Quindi più questi aumentano più fanno abbassare Ψ (lo portano verso valori negativi) e quindi il fattore cocentrazione non è altro che il valore della pressione osmotica. Il fattore pressione è rappresentato dalla pressione esercitata dalla parete sul potenziale idrico. Se questa preme lo riporterà verso lo zero (esclusiva die vegetali). La parete si oppone quindi all’entrata dell’acqua generando la pressione di turgore. Si denfinisce quindi la pressione idrostatica come la pressione esercitata dalla parete sull’entrata di acqua nella cellula. Il potenziale idrico si definisce quindi come:

Ψ = P- π In cui P è la pressione idrostatica esercitata dalla parete e innalza il potenziale idrico in quanto più la parete preme meno acqua entra e quindi è un fattore positivo, mentre π abbassa il potenziale idrico perchè più una soluzione è concentrata, in termini di soluti, più richiama acqua perchè diminuisce la concentrazione dell’acqua; e quindi più aumenta la pressione osmotica più aumenta il fattore negativo su psi e lo porta verso valori più bassi (tutto espresso in MPa). Il potenziale idrico dell’acqua è quindi un modo per misurare l’energia libera dell’acqua ( quindi è un modo per capire come si sposterà l’acqua dalla radice fino all ’atmosfera). L’acqua si sposta grazie alle differenze di potenziale idrico fra i vari comparti della pianta, da potenziali maggiori a potenziali minori. Se si potesse vedere la velocità del passaggio dell’acqua attraverso le membrana (grazie alle differenze di concenrazione tra citosol e apoplasto) si nota che essa passa con velocità talmente alta che non è compatibile con la struttura della membrana. C’è quindi qualcosa che aiuta il movimento dell’acqua attraverso la membrana. Il qualcosa è rappresentato da proteine dette acquaporine che permettono il passaggio dell’acqua in modo estremo ( il passaggio dell’acqua deve essere veloce). Sono proteine transmembrana con una parte centrale che funziona da canale per l’acqua. L’acqua è un dipolo (ossigeno più negativo dell’idrogeno) e il canale sfrutta la caratteristica del dipolo per far passare l’acqua velocemente. Sono costituite da 6 domini trasmembrana (6 alfa-eliche idrifobe transmembrana) connesse da 5 loop di cui 2 sono più grandi e ne entrano dentro la membrana (parte idrofobiche).

Entrambe hanno una particolare sequenza di amminoacidi che al centro si ripete (asparaginaprolina-alanina). L’asparagina è l’unico idrofilo per la presenza dell’azoto e a Ph cellulare questo + azoto è protonato a -NH3 e questo lo rende ancora più idrofilo (coinvolta nel passaggio dell ’acqua). I 2 loop si avvicinano l ’uno all’altro e determiano il canale dell’acqua in cui le 2 asparagi ne sono una davanti all’altra. La carica positiva del gruppo amminico è in grado di coordinare l’acqua essendo l’ossigeno parzialmente carico negativamente. Come fanno ad interagire? All’inizio le 2 asparagine coordinano l’ossigeno di una molecola di acqua e in questo modo interrompono i legami di coordinazione che si trovano all’interno delle molecole di acqua (cioè i legami a idrogeno fra le molecole di acqua), una asparagina continua a legarla e l’altra ne lega un’altra. La prima è sganciata e la seconda è legata da tutte e 2. In poche parole le asparagine si passano le molecole di acqua. Le molecole di acqua quindi scorrono cme un filo attratte dall’asparagi...