Tema 9 y 10: Absorción de nutrientes, transporte activo y pasivo PDF

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Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal TEMA 9 Y 10: ABSORCIÓN DE NUTRIENTES; Transporte activo y pasivo 9.1 Relación suelo—planta en la nutrición En el suelo los nutrientes pueden estar en diferentes formas. Aquellos nutrientes disponibles para la planta son los que están disueltos en el agua del suelo. Los nutrientes intercambiables → en el suelo hay distintas partículas, las más pequeñas tienen cargas negativas que pueden retener cationes. Algunas están cargadas positivamente, y pueden retener aniones. Estos iones que quedan retenidos pueden ser intercambiados por las raíces vegetales que secretan protones. Tiene una enorme superficie de absorción en los pelos radiculares. Solamente midiendo las raíces, una planta podría tener 600 km de raíz. Puede aumentar con la simbiosis con micorrizas. Este sistema radicular moviliza nutrientes y puede provocar movimiento de nutrientes hacia la raíz. Esto ocurre por difusión (si una raíz absorbe K, fuera habrá menos K, por lo que habrá un gradiente y favorecerá la difusión de K hacia la superficie radicular) y por flujo de masa (la planta al absorber el agua, también arrastra una serie de iones que absorbe la raíz). Otros nutrientes, como sulfato, calcio, sodio, están mas concentrados dentro de la raíz que mas lejos porque la planta absorbe mas agua que estos iones. No todos los iones son absorbidos a la misma velocidad. Vías de absorción La estela de la raíz, donde se encuentra el xilema y el floema, esta rodeada por la endodermis, por fuera de está el córtex, y por fuera, la lisodermis. Los nutrientes que tienen que llegar a las hojas tienen que atravesar radialmente estos tejidos, alcanzar los vasos del xilema y serán arrastrados hacia las hojas, donde salen del xilema y van a los tejidos. Pueden llegar al xilema por dos vías: •

Vía apoplástica: comprende las paredes celulares y los espacios intercelulares. En un principio esta disponible para los nutrientes porque son iones pequeños, que pueden entrar por las paredes celulares y avanzar a través de la raíz atravesando el córtex por simple difusión a través de gradiente. Esta vía, llega un momento que se encuentra con una barrera en la endodermis que presenta una banda de material hidrofóbico en sus paredes celulares. 1

Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal Hay suberina, que impregnan las paredes celulares. Esta banda se conoce como banda de Caspary, que ofrece una alta resistencia al paso de sustancias polares hacia la estela, por lo tanto para alcanzar el xilema, los iones tienen que pasar por el simplasto, atravesando el plasmalema. Es la única que llega hasta la estela, a través de plasmodesmos entre células adyacentes. Al menos tienen que travesar una membrana. Esto significa que la planta, a través de las propiedades de la membrana, pueden controlar lo que sera transportado hacia las hojas, que son más sensibles. El liquido que baña el apoplasto tiene la misma composición del suelo. •

Vía simplastica: implica pasar por la membrana plasmática (plasmalema). Explicado arriba.

9.2 Compartimentación Se vio que en el caso de la absorción de iones, se podían realizar estudios de cinética. Se estudiaba la acumulación de un elemento en las células vegetales en función del tiempo. Se vio que frecuentemente se obtienen curvas de tipo exponencial. Hay una fase de rápida absorción seguida de una fase mas lenta. Este tipo de curva se interpretó, como que la fase rápida es la fase de absorción en el apoplasto, mientras que la segunda fase mas lenta, correspondería a la entrada en el simplasto y el transporte posterior transcelular, dentro de las células. La membrana plasmática, con su composición lipídica, es bastante hidrofóbica, por lo tanto no es fácil que los iones puedan difundir a través de ella. Por esto, la absorción hacia el simplasto es mas lenta. 9.3 Cinética de absorción Se dedujo a partir de estudios cinéticos, la presencia de transportadores proteicos para los iones. Se vio que cuando representaban la velocidad de absorción respecto la concentración de este en el medio, se daba una curva de saturación, muy parecidas a las de la cinética enzimática. En estas podemos definir la concentración del elemento a la mitad de la velocidad máxima, por lo tanto podemos definir una Km, la 2

Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal afinidad de un ion por su transportador. Se dedujo que en las membranas tiene que haber un receptor que actúa como aceptor de estos iones que se transportan y que tras un cambio liberan el elemento al interior de la célula. A partir de estos estudios, lo que se vio es que se pueden calcular la Km y la Vmax igual que en la cinética enzimática. Se realizaron estudios con inhibidores. Si tenemos la concentración del elemento y le añadimos sodio, por ejemplo, pueden ocurrir dos cosas, o que se mantenga la Vmax, pero la Km se hace mas grande, o puede ocurrir que la Vmax disminuya y que la Km sea la misma. Si la Km aumenta significa que el otro ion realiza una inhibicion competitiva, los dos compiten por el mismo transportador. En el otro caso, si disminuye la Vmax, es una inhibición no competitiva, se daña de alguna manera el mecanismo de transporte. Esto permitía deducir si esas proteínas transportadoras eran especificas o no. Más tarde se encontró que el transporte de iones no siempre se comportan de esta forma, sino que podían haber sistemas más complejos, como bifásicos, donde tenemos una primera curva donde aumenta y se estabiliza, pero si seguimos auementando, la concentración vuelve a subir y se estabiliza otra vez. Se interpreto como que hay mas de un transportador para un ion. El primer transportador es de alta afinidad y cuando este esta saturado entran por otro transportador, de baja afinidad. 9.4 Mecanismos de absorción 9.4.1 Absorción activa En contra de gradiente. Implica que el sistema use energía para mantener una concentración fuera del equilibrio de iones. La planta gasta una gran cantidad de ATP para mantener ese equilibrio. 9.4.2 Absorción pasiva Se rige por flujo de masas, por difusión. Este transporte fundamentalmente sera en el apoplasto. Si tenemos transporte en una membrana podemos diferenciar transporte activo y pasivo. Es absorción pasiva si se cumple el potencial de Nernst. Si medimos la concentración de iones dentro de la 3

Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal célula respeto al exterior, a veces no se cumple el potencial de Nernst, tenemos unas concentraciones diferentes a las previsibles, por lo tanto eso significa que tenemos procesos de absorción activa.

9.4.2.1 Transporte pasivo Implica que los iones se muevan a favor de gradiente de concentración.

Tenemos que tener en cuenta la carga Z y el potencial eléctrico. Podemos obviar el termino VP, porque las diferencias son muy pequeñas. También podemos obviar la altura (mgh). Si consideramos este potencial químico y miramos el potencial químico de la sustancia en el interior de la célula respecto al del exterior, como se trata de sustancias con carga, podemos ver la diferencia entre los dos potenciales eléctricos y es lo que conocemos como Potencial de Nernst, que nos da la distribución de actividades de la sustancia. Esto da un potencial de membrana que podemos medir. Si el potencial de membrana que medimos corresponde al potencial de Nernst, se diría que todo el movimiento iónico de esta célula, se daría por transportes pasivos. Normalmente tenemos potenciales mucho más negativos que lo que dice el potencial de Nernst, porque hay mas iones fuera que dentro, y por lo tanto el resultado de los potenciales de membrana, es el resultado de transporte activo.

9.4.2.2 Difusión Las sustancias siguen las leyes de Fick. La variación de la cantidad de sustancia, es igual a menos un coeficiente de difusión, la superficie y la división entre la concentración y la distancia. La distancia juega un papel importante en la difusión. La difusión es bastante eficiente en poca distancia, pero cuando el camino a recorrer se alarga, la difusión de hace ineficiente. Por eso los 4

Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal organismos pluricelulares tienen otros mecanismos para mover nutrientes. Ademas hay barreras, membranas, con lo que tenemos que considerar el coeficiente de permeabilidad. La bicapa lipídica no es muy permeable.

9.4.2.3 Ecuación de Nernst No solo tenemos que tener en cuenta la concentración sino que también hay que tener en cuenta que trabajamos con moléculas que tienen carga. Hay que tener en cuenta el potencial de Nernst. Si esto lo tenemos en cuenta juntamente con el potencial eléctrico, y que la disposición de iones a lado y otro nos puede crear potencial de membrana, nos permite explicar el proceso de transportación pasiva, aunque hubiera concentraciones en contra de gradiente, es decir, aunque no tengan sentido. Para una sustancia se tiene en cuenta concentración y potencial eléctrico podemos calcular el potencial químico en el medio externo simplasto respecto al apoplasto, si hay un gradiente el ion entra o sale pasivamente a pesar de que las concentraciones sean distintas. Vemos la fórmula de Nernst:

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Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal 9.4.2.4 Sistema Donan Cuando tenemos en cuenta la difusión como sistema de transporte pasivo de la planta, hay que tener en cuenta, que el potencial que vamos a alcanzar juega un papel en el que aunque todos los iones que van a travesar la membrana, la direccionalidad puede ser diferente si dentro de la célula hay alguna sustancia con carga. Si hubiera una disposición normal, sin carga, la entrada y salida llegarían a igualarse. Si dentro hay una carga negativa, podemos acumular mayor cantidad de cationes en el interior de lo que correspondería en equilibrio. En la pared celular podemos encontrar más cationes de lo que correspondería en una situación de equilibrio. El resultado de esta situación, da un cambio en el potencial de difusión pasiva que se conoce como potencial de Donan que tiene en cuenta la distribuciones de iones en el interior y en el exterior de la célula.

9.4.2.5 Ecuacion de Ussing Teorell No solamente podemos considerar el potencial de Nernst y Donan como resultado de un transporte pasivo, también podemos considerar los flujos de iones. Si el sistema esta en equilibrio habrá igual de flujo hacia el interior que hacia el exterior. Si sometemos una célula a un medio externo en el que hay cierta concentración de un ion, podemos medir el flujo. Este flujo, si es debido unicamente a difusión, tendría que cumplir la ecuación de Ussing Teorell. Puede haber flujos hacia el interior o el exterior diferentes a los que esperaríamos con la ecuación (absorción activa).

9.4.2.6 Potencial de difusión; Ecuación de Goldman Tenemos que tener en cuenta los iones mayoritarios para calcular el potencial de membrana. Podemos calcular los potenciales de membrana teniendo en cuenta las concentraciones de los diferentes cationes de iones en el interior respecto al interior, junto a sus coeficientes de permeabilidad. Es un paso más en la Ecuacion de Nernst. 6

Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal 10. Absorción activa Estudio con dos algas, nitella y valonia, una de agua dulce y una de agua salada. Tenemos una alga que es de agua dulce (Nitella) y en el medio tenemos potasio, calcio y cloruro. En el agua dulce tenemos una baja concentración de potasio, pero en la célula tenemos más potasio. La célula absorbe en contra de gradiente porque ya que si no fuese así no se entendería como hay tanta concentración de potasio dentro de la célula, pero tan bajo fuera. El sodio fuera es muy bajo y dentro más alto, calcio lo mismo y cloruro lo mismo. La absorción de potasio es selectiva respecto la absorción de sodio. En el medio marino, el sodio es menos abundante dentro que fuera, de manera que tiene que haber un flujo activo, ya que por difusión tendría que ser igual. El alga (Valonia) tiene selección selectiva, absorbe selectivamente el potasio y expulsa selectivamente el sodio. Si miramos el calcio, dentro de la célula es poco así que la planta tiene poca permeabilidad o incluso lo expulsa. El cloro si tiene un transporte pasivo ya que están en equilibrio. El alga absorbe potasio. Las células excluyen sodio activamente. También expulsa calcio. Cloruro en equilibrio. El transporte de iones es fundamentalmente activo y selectivo en las plantas, aunque pueden haber iones que se transporten por vía pasiva.

10.1 Solución nutritiva En plantas superiores podemos observar la absorción activa y pasiva de iones. Un cultivo hidroponico, es el cultivo de plantas en sustancias nutritivas.

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En la tabla tenemos dos tipos de cultivos. Los hacemos crecer en solución nutritiva. Tenemos la composición inicial de la sustancia nutritiva, y después de x tiempo, la planta crece, y absorbe iones y miramos que queda en la solución. Podemos mirar la concentración de los iones en el jugo que exprimimos de los cultivos. El maíz absorbe mucho potasio. Hay más concentración interna en maíz. El calcio disminuye menos que el K. Si absorbe la misma cantidad de las dos cosas, la concentración final variara muy poco. Si absorbe más agua que nutrientes, al final habrá mas nutrientes que en la solución inicial. La judía absorbe más agua. La judía necesita mas calcio que el maiz porque las paredes celulares de la judía tienen más pectinas, que utilizan calcio. Los dos finalmente tienen mas concentración de sodio que inicialmente. El sodio en la solución se concentra. El fosfato se agota en la solución y lo acumula en los tejidos. En la solución del suelo suele haber muy baja concentración de fosfato. El nitrato también se agota, se absorbe mucho nitrógeno. El sulfato, en el maíz, hay casi la misma concentración que el inicial, mientras que la judía lo excluye, absorbe mas agua que sulfato. Unos nutrientes son absorbidos activamente, la planta lo agota alrededor de sus raíces, mientras que otros nutrientes son excluidos en parte. 10.2 Proteínas de transporte

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La membrana es hidrofóbica y hay una difusión lenta de iones cargados a través de esta. Si hay nutrientes en forma neutra, como el boro, se pueden utilizar canales iónicos para difundir a través de la membrana. Son proteínas transmembrana que tienen una parte hidrofílica a través de la cual pueden pasar los nutrientes. Estos son regulables. Algunos se cierran y se abren a través de una compuerta. Hay otros mecanismos de cierre que vienen regulados por hormonas, por concentración de iones, potencial de membrana, etc. Ademas de los canales tenemos las proteínas transportadoras que realizan un transporte pasivo, pero este es a favor de gradiente electroquímico. Estos trabajan en cooperación con bombas iónicas que crean un gradiente electroquímico favorable para el transporte pasivo. Estas bombas son fundamentalmente protonATPasas. Generan un gradiente de protones para que otros iones puedan ser transportados. Se necesita energía para la hidrólisis del ATP. Actúan al revés que las ATPsintasas. Tenemos un gradiente de protones por un transporte electrónico y este gradiente se emplea para sintetizar ATP, en las ATPsintasas. Se utiliza esta energía de ATP para generar el gradiente de protones que es utilizado para el transporte de protones. Podemos diferenciar distintas ATPasas. Las ATP sintasas sintetizan ATP utilizando la fuerza motriz de los protones. Tenemos ATPasas de plasmalema que utilizan la hidrólisis del ATP para el transporte electrónico. Tenemos ATPasas a nivel de tonoplasto, membrana de las vacuolas, donde hay un activo transporte y tenemos bombas de protones que utilizan la hidrólisis del ATP para crear un potencial de membrana y transportar iones.

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Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal 10.3 H+ - ATPasa de plasmalema Acoplado a la hidrólisis del ATP crean un gradiente de protones. Tiene una estructura de dominios transmembrana, hay de muy diferentes pero su estructura, en definitiva suele ser de este tipo. Generan una fuerza motriz de protones que nos viene dada por la diferencia en la concentración de protones en uno y otro lado y el potencial de membrana. En los diferentes sistemas membranosos hay transportadores, cada sitio celular tiene que recibir iones, tiene que haber una cierta homeostasis entre compartimientos. Hay diferentes tipos de transportadores. Además de iones también se transportant moléculas, estos componentes tienen que ser transportados hacia distintos compartimentos, tienen que haber transportadores, muchas veces son transportes que no van a favor de gradiente. Una pirofosfatasa se diferencia de una ATPasa porque utiliza la energía del pirofosfato para el transporte de iones. 10.4 Tipos de transportadores Tenemos distintos tipos de transportadores. Tenemos diferencias de pH entre la vacuola ácida y el citoplasma, neutro. Hay diferentes potenciales de membrana. La membrana plasmática tiene un porencial de membrana de -120 a -200 mV y el tonoplasto lo tiene de -90mV. Hay un transporte de cationes por un canal. También puede haber un transporte por antiporte, el catión entra mientras el protón sale. Podemos tener simporte entre el protón que entra de fuera a dentro, junto a un a un ion, que también entra.

Podemos diferenciar entra canales aniónicos rápidos y lentos. Todos transportan aniones orgánicos, como malato (estomas). Los lentos transportan aniones de la vacuola al citoplasma. Son muy interesantes los transportadores ABC: son transportadores que utilizan ATP para el transporte de sustancias. Transportan no solamente iones inorgánicas sino que también transportan iones orgánicos. Hay unos que secuestran sustancias dentro de la vacuola, pueden transportar sustancias xenobioticas.

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Núria Fuentes Nutrición y metabolismo vegetal Se estudia el transporte de iones por técnicas electrofisiológicas. Una técnica muy importante es la de Patch clamp, que son microelectrodos que están introducidos en una micropipeta, que se inserta en la membrana, se succiona un trozo de membrana y podemos medir el flujo de iones por el microelectrodo (en el trozo de membrana o en células aisladas). Se pueden usar protoplastos para analizar a nivel de célula entera o por trozo de membrana también.

Hay sistemas MIFE, que es un sistema de microelectrodo que mide la concentración a nivel de la raíz→ podemos deducir el flujo de iones que absorbe la planta → si la raíz absorbe mucho potasio, la concentración alrededor de la raíz sera baja.

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