PROGRAMMA di FISIOLOGIA VEGETALE

(in questa sezione saranno esposti i principali argomenti del programma ricordando che per avere una visione maggiormente dettagliata del corso è consigliabile studiare sui libri di testo opportuni)

Le piante e l'acqua: potenziale idrico; componenti del potenziale idrico nella cellula, nella pianta, nel suolo, nell'aria; flussi di acqua nella cellula e crescita per distensione; circolazione dell'acqua nella pianta; traspirazione. Fotosintesi: struttura e funzione dei fotosistemi, conversione dell’energia luminosa in energia chimica. L'assimilazione della CO2: ciclo di Calvin, fotorespirazione, sintesi di saccarosio e di amido. Piante C4 e CAM. Regolazione metabolica nel ciclo del carbonio. Dipendenza dell'assimilazione della CO2 da luce, pCO2, temperatura, stato idrico. Assunzione e trasporto dei soluti: principali meccanismi di trasporto attraverso le membrane cellulari (pompe protoniche e gradiente elettrochimico di protoni; meccanismi di trasporto dei principali ioni minerali e metaboliti); flussi xilematici e floematici. Assunzione e organicazione di nitrato ed ammonio; gli azoto-fissatori e le piante. Processi fisiologici nel differenziamento e nello sviluppo. Ormoni vegetali (struttura, trasporto, azioni fisiologiche). Ruolo degli ormoni nei processi differenziativi e nei movimenti tropici e nastici. Fotomorfogenesi: fitocromo, criptocromo.

(tratto dall'Università degli studi di Milano - www.unimi.it )

NUTRIZIONE MINERALE

Le cellule delle piante hanno bisogno di numerosi ioni minerali essenziali x il loro funzionamento.

RADICE

(1)

La RADICE presenta peli radicali e le pareti delle cellule della radice non sono impermeabilzzate; I soluti possono diffondere NELLE cellule e TRA le cellule ma giunte nella banda del Caspary, le sostanze devono attraversare la membrana.

1)àmovimento di ioni secondo gradiente di potenziale elettrochimico; appartengono la famiglia dei canali e dei carrier

2)àmovimento di ioni contro gradiente di potenziale elettrochimico per cui Dm_S > 0 e appartengono la famiglia dei carrier

REAZIONI METABOLICHE ESOERGONICHEàper trasporto di soluti

-         nel caso dei cloroplasti è la reazione redox in cui si ha il trasporto controgradiente di H⁺

-         occorrono i TRASPORTATORI ATTIVI che utilizzano l’ATP in quanto possiedono una ATPasi di membrana e si dividono in:

-         TRASPORTATORI ATTIVI 1°àutilizzo di ATP per trasporti contro gradiente

-         TRASPORTATORI ATTIVI 2°àil gradiente elettrochimico dello ione che trasportano può essere utilizzato dagli altri carrier per utilizzare il trasporto contro gradiente di un altro soluto

L’origine di una differenza di potenziale a cavallo della membrana è responsabile della diversa mobilità dei vari ioni e dipende dai sistemi di trasporto attivo. In stato stazionario ho 2 valori alti con il citoplasma negativo rispetto all’esterno di –120 / -240 mV.

L’unico ione che tende a distribuirsi passivamente è il K⁺; gli altri sono nel succo cellulare a [  ] + basse di quelle attese secondo la legge di Nerst e trasportati attivamente all’esterno.

(2)

Gli anioni nelle cellule sono in [  ] > e vengono trasportati attivamente fuori dalle cellule.

La [H⁺] tra vacuolo e citoplasma può essere diversa per via di eventuali gradienti; se è + alta nel vacuolo, nel succo misuro la [H⁺] del vacuolo ma se è + alta nel citoplasma, nel suco misuro una [  ] + diluita.

H⁺ e Ca⁺⁺

La [H⁺] nel vacuolo (o il suo pH) è simile a quella misurata nel succo cellulare cioè ~ 5 mM (pH=5.3) MA nel citoplasma la [H⁺] è 0.055 mM e il pH=7.3.

La differenza di potenziale tra vacuolo e citoplasma: +20mV

Il gradiente elettrochimico di H⁺ a cavallo della membrana plasmatici è + ripido di quello del succo cellulare e il gradiente elettrochimico del tonoplasto è positivo perché vengono accumulati H⁺ contro gradiente.

La [Ca⁺⁺] nel citoplasma ha valori molto bassi e questo è essenziale per una cellula ke utilizza il fosfato inorganico come moneta di scambio per il metabolismo. Il fosfato di calcio [Ca₃(PO₄)₂] è un sale poco solubile e una elevata [  ] di calcio comporta la precipitazione e la sottrazione dello ione fosfato.

Il Ca⁺⁺ ha la proprietà di interagire con le proteine cambiandone la struttura e quindi l’attività biologica.

Il Ca⁺² è un SECONDO MESSAGGERO.

H⁺-ATPasi

È la principale pompa elettrogenica sulla membrana plasmatica:                                        

-         di tipo P perché durante il ciclo catalitico si forma un intermedio fosforilato

-         codificata da famiglia di geni con caratteristiche biochimiche diverse

-         stechiometria 1:1

-         dominio C-ter nel plasmalemma con sito autoinibitorio che lega le proteine 14-3-3

-         queste impediscono l’autoinibizione

-         stimolata dalla luce bluàapertura stomi e la FUSICOCCINA (tossina fungina) stimola l’associazione delle 14-3-3

-         l’attività catalitica ha un optimum tra pH 6-6.5 e diminuisce a pH 7-7.5 e il pH della cellula è 7.3

-         fa diventare + negativo il potenziale all’interno del citoplasma che influenza il trasporto di K⁺ per il quale sono presenti 2 canali sulla membrana; il K tende ad entrare in cellula termodinamicamente ma anche grazie ai canali

L’insieme della differenza di H⁺, di pH e ddpàgradiente elettrochimico di protoni tra citoplasma ed esterno.

I protoni tendono a rientrare termodinamicamente e il loro rientro libera altrettanti Joule (20 kJ usati per espellerli) usati per fare lavoro purchè ci sia l’accoppiamento tra l’influsso di H⁺ che libera energia e un processo che richiede l’apporto di tale energia.

Il gradiente di H⁺ generato dalla H⁺-ATPasi del plasmalemma viene utilizzato da vari sistemi per energizzare:

-         tramite SIMPORTOàl’assorbimento di metabolici come zuccheri e aa; l’assorbimento di anioni minerali; l’assorbimento di K⁺ quando è poco disponibile e l’influsso positivo tramite i canali non sarebbe sufficiente a mantenere l’omeostasi di questo ione; l’assorbimento di ormoni come l’auxina.

-         Tramite ANTIPORTOàl’espulsione di Na⁺ dal citoplasma nelle piante tolleranti la salinità

L’H⁺-ATPasiàiperpolarizza la ddp a cavallo della membrana favorendo l’accumulo nel citoplasma di cationi assorbiti tramite canali voltaggio sensibili, come il K⁺.

In caso di ioni bivalenti (SO₄^-2; HPO₃^-2)àsimporto ma la simmetria è di 3 H⁺.

COTRASPORTO AA: 3 tipi

-         AA-acidi (COOH)

-         AA-basici (NH₃)

-         AA-neutri (zwitterione)

CANALI IONICI PERMEABILI AL Ca⁺⁺:

-         lo ione Ca è molto importante

-         l’entrata di Ca avviene secondo gradiente di [  ] e può essere mediato da sistemi di trasporto passivo e viceversa per l’uscita

-         lo stato dei canali è di essere chiusi per mantenere il gradiente

-         tra le proteine che legano il Ca nel citoplasma vi è la CALMODULINA che lega 4Ca per molecola e può interagire con altre proteine chiamate PROTEINKINASICALCIODIPENDENTIàfosforilano altre proteine

Il principale trasporto attivo che espelle CaàCALCIO-ATPasi (P-ATPasi) che:

-         trasporta il Ca contro gradiente con l’idrolisi di ATP

-         il dominio N-ter è un sito di legame per la calmodulina

-         il legame della calmodulina al sito inibitorioà> attività enzimatica

-         è una proteina bersaglio

-         catalizza anche lo scambio tra Ca⁺⁺ e H⁺à

MEMBRANA VACUOLARE:

La H-ATPasi e la H-PPasi del tonoplasto cooperano nel generare e mantenere un gradiente elettrochimico di protoni a cavallo del tonoplasto. L’H-PPasi potrebbe essere implicata anche nel trasporto di K⁺ nel vacuolo. Questo gradiente energizza vari sistemi di antiporti che catalizzano l’accumulo nel vacuolo di ioni e metaboliti.

L’H-ATPasi del vacuolo è diversa da quella della membrana plasmatici in fatti quando si lega l’ATP, si libera il P e l’ADP viene liberato in seguito.

L’H-PPasiàpirofosfatasi: pompa H⁺ nel vacuolo usando l’energia di idrolisi del PPi presente nel citoplasma ed è strettamente dipendente dal K.

ANTIPORTO Na/Hànelle alofite per accumulo di Na nel vacuolo.

Sul tonoplastoà

-         1 o + meccanismi di trasporto attivo del Ca che mediano l’accumulo nel vacuolo di Ca contro gradiente elettrochimico

-         Ca-ATPasi: regolata da calmodulina e simile a quella plasmatici

-         Antiporto 2°: trasporta anche Mg ed ha un’affinità < per il Ca

VACUOLOà

-         + grande magazzino delle cellule vegetali

-         risorsa di Ca per innalzare la [Ca] nel citoplasma

-         sul tonoplastoàcanali per il Ca

IONI:

Nutrizioneàminerale e serve per la distribuzione di assimilati fotosintetici

Omeostasiàregolazione concentrazioni soluti intracellulare

Compartimentazioneàmetabolismo

Trasmissione di segnali

REGOLAZIONE STOMI:

-         dipende dall’attività di proteine di trasporto

-         i principali segnali sono:

di APERTURAàstimolata dalla luce; inibita da CO₂ (quando all’interno della camera sottostomatica supera certi valori, ne viene indotta la chiusura); dipende dall’H₂O (lo stress idrico inibisce l’apertura e induce la chiusura). Il mediatore dello stress idrico è l’ABA

di CHIUSURAàvedere in seguito

STOMI:

-         2 cellule di guardia che delimitano una fessura: RIMA stomatica (aperta/chiusa)

-         struttura isolata simplasticamente dalla foglia (no-plasmodesmi)

-         tutti gli scambi avvengono tramite la membrana cellulare

-         cellule di GUARDIAàcellule epidermiche differenziate, cloroplasti per fotosintesi e parete cellulare non omogenea

-         parete con spessore resistente nella zona della rima

-         disposizione radiale delle microfibrille di cellulosaàaumento pressione di turgore (entra H₂O)àresistenza in espansione.

Una cellula in equilibrio idrico con l’ambiente esterno, se la illumino, entra H₂Oàpotenziale idrico cellulare è diventato + negativo rispetto a quello esterno: j_cell < j_out

I soluti responsabili della variazione della componente osmotica sono i sali di K e gli anioni sono Cl^- e malato.

CONDIZIONI DI APERTURA:

-         accumulo di Cl^- e malato

-         iperpolarizzazione ddp

-         estrusione H⁺

-         aumento pH citoplasmatico

-         aumento fissazione CO₂ su malato

-         fusicoccina stimola H-ATPasi e l’apertura degli stomi anche in condizioni non permissive

-         la luce BLU aumenta l’associazione al dominio regolativi dell’H-ATPasi delle proteine 14-3-3

Quando il pH tende a salire, l’H-ATP estrude H⁺ ma aumenta l’attività della PEP-carbossilasiàacido malicoàcaduta di pH.

CONDIZIONI DI CHIUSURA:

-         ABAàcondizione di stress idrico

-         Aumento [CO₂] nella fogliaàeccesso di substrato intrafogliare

-         Se si interrompe l’irrigazione viene a meno ABA nella foglia, che è prodotto da foglia e radici

-         ABA chiude gli stomi in base ad un aumento [Ca] citoplasmatico

-         Gli stomi si chiudono anche in condizioni permissive

ENZIMA MALICO: nelle C4           malato + NADPàpyr + CO₂ + NADPH

-         ha un optimum di pH al valore di 6

-         da un acido bicarbossilico a monocarbossilico che diminuisce l’acidità del succo

-         = e contrario alla PEP carbossilasi

-         effetto pHstato

L’H₂O esce e cala la pressione di turgore e gli stomi si chiudono

L’ABAàagisce sulle cellule di guardia secondo 2 meccanismi:

1)      apertura canali Ca⁺⁺ e aumenta [Ca] citoplasmatico

2)      ancora in fase di studio

Anche nel caso della CO₂ l’effetto è un aumento [Ca] citolpasmatico e l’apertura dei canali ionici sulla membrana plasmatici o tonoplasto.

CRESCITA PER DISTENSIONE:

-         questo aumento di volume è causato da un ingresso di H₂O

-         le dimensioni lineari delle cellule aumentano fino di 10 volte

-         il volume cellulare aumenta fino a 100 volte

-         il peso fresco aumenta come il volume

-         il peso secco (campione disidratato) aumenta molto meno: 5-10 volte

Nella cellula è il compartimento vacuolare che aumenta  di volume ed è un processo a basso costo perché ciò ha a che vedere con la autotrofia e sessilità della piantaàoccorre aumentare le superfici per la fotosintesi e a livello radicale aumentare la superficie assorbente.

All’inizio la cellula era in equilibrio: j_cell = j_s + j_p cioè j_cell = j_out  ma quando assorbe H₂O

j_cell < j_out cioè j_s diventa + negativo (cellule di guardia) e j_p diventa – positivo (diminuisce la R meccanica della parete).

In realtà la [  ] di soluti non aumenta (resta costante) e la j_s non diventa + negativo.

La componente del potenziale idrico che cambia in seguito a un segnale chimico, è la componente di pressione che diventa – positivaàaumento della DISTENSIBILITA’ PLASTICA

Se entra tanta H₂O, si diluisce la [  ] per cui entrano anche tanti soluti, inoltre la cellula deve produrre nuove macromolecole per sintetizzare la parete cellulare, la membrana e il tonoplasto.

Il segnale che fa diminuire la R della parete è di tipo ORMONALE:

IAAàauxine: crescita per distensione nelle radici e epicotili/coleoptili

GAàgibberelline: ipocotili

CKàcitochinine: crescita per distensione delle foglie

AUXINA:

-         trasportata attraverso la membrana

-         sintetizzata in germogli e coleottile

-         se taglio via l’apice ottengo la zona subapicale e la tratto con IAAài coleottili abrasi rispondono all’auxina estrudendo H⁺ (abbassa il pH); DE si iperpolarizza (H-ATPasi)

-         se iperstimolo l’H-ATPasi con fusicoccinaàcrescita per distensione

-         se fornisco VANADATOàinibisco H-ATPasi e lo stimolo di IAA e della crescita

La R meccanica della parete 1° è dovuta alla cellulosa e al reticolo che possono formare le pareti ricche di PROLINA e quindi occorre rompere i legami gli sodici o i ponti HàIDROLASIàoptimum di pH acido.

ESPANSINAàproteina di parete attivata da un abbassamento di pH della pareteàrompe i ponti H

ETILENEàdisorienta la disposizione delle fibrille e fa si che non perdano l’orientamento ordinatoàdiminuisce la R in senso RADIALE e aumenta quella longitudinale e si ha un allungamento meno direzionale.

Amidoàdegradato e trasportato nella notte e siccome non può essere trasportato perché è insolubile, allora deve essere degradato e risintetizzato negli organi di riserva.

FLUSSO DEI TRIOSO – FOSFATI:

Nello stroma dei cloroplastiàpirofosfatasi che idrolizza il PPi

L’ADP-Glu reagisce con una molecola di AMIDO: ADP-Glu + (amido)_nà(amido)_n+1 + ADP tramite l’amilosio sintasi che sintetizza l’AMILOSIO che è costituito da tante molecole di amido disposte in ramificazioni: queste ramificazioni sono opera di ENZIMI RAMIFICANTI. 

Dalla cellula madre alla figlia si ha ereditarietà dei PLASTIDI che poi si differenziano. I proplastidiàpiccoli granuli di amido che fa da precursore per la sintesi di nuovo amido.

La sintesi del saccarosio avviene nel citosol:

-         per far si che il metabolica passi dal cloroplasto al citosol la membrana esterna dei cloroplasti è a bassa selettività perché possiede una proteina canaleàPORINA

-         la membrana interna è altamente selettivaàTRASPORTATORE del P e specifiche proteine

Questi sono trasportatori passiviàseguono il gradiente di trioso P o di P.

La [  ] totale (Pi libero + Pi legato) resta costante nel cloroplasto e nel citosol indipendentemente dall’attività metabolica; quello che varia è il rapporto Pi libero/P-legato man mano che la fotosintesi procede nel cloroplasto.

DOAPà

-         diidrossiacetonfosfato

-         intermedio di 2 vie metaboliche: pentoso-fosfati e glicolisi

-         DOAPàPIRUVATOàMITOCONDRIàcilo di KrebsàCO₂

4 TRIOSO FOSFATOà1 saccarosio + 5 Pi

Se dentro al cloroplasto continua la fotosintesi, allora potrà continuare anche l’afflusso di triosi. Nel cloroplasto la fotosintesi produce triosi che portano a esosi fosfati i quali possono entrare in 3 vie metaboliche differenti.

La velocità con cui procedono questi 3 processi deve essere regolata in modo tale che la sintesi di amido e saccarosio non blocchi il ciclo di Calvin.

L’esportazione funziona solo se [TRIOSI] nei cloroplasti è > della [TRIOSI] nel citosol.

1)      inibito da Fru-2,6-P

2)      inibito da saccarosio, Pi; attivato da Glu-6-P

3)      inibito da Pi; attivato da Fru-1,6-P e PGA

SINTESI E DEGRADAZIONE DEL FRUTTOSIO-2,6-P:

KINASI: Fru6P + ATPàFru-2,6-P ed è attivata da Pi, Fru6P; inibita da 3PGA, 2PGA, PEP, DOAP

FOSFATASI: (Fru2,6P + H₂OàFru6P + Pi) è inibita da Pi e Fru-6-P

Viceversa quando il rapporto sopra è basso.

Il Fru2,6P è inibitore della conversione da Fru1,6PàFru6P

Per sintetizzare saccarosioàaumentare il rapporto sopraàdipende dall’attività del trasportatore e delle [  ] nello stroma

L’atro segnale regolatore è l’accumulo del saccarosio stesso

SINTESI DI AMIDO:

Enzima ADPGpirofosforilasi

Se il rapporto sopra è bassoà

-         no esportazione DOAP e GAP

-         no saccarosio

-         no amido

-         solo Calvin

Se è medioà

-         esportazione

-         rapporto alto nel citosolàsaccarosio

-         Calvin

-         Feedback

Se è altoà

-         inibita la sintesi di saccarosio

-         no esportazione

-         sintesi amido                                         

-     Calvin

La velocità di fotosintesi tende ad essere MINORE quando produce AMIDO 1° di quando fa saccarosio perché nell’amido 1° la [Pi libero] è bassa e quest’ultimo costituisce un substrato della sintesi di ATP per l’ATPsintasi: ADP + Pi + H⁺(lume)àATP + H⁺(stroma)

Il saccarosio prodotto nel citosol viene accumulato nel vacuolo; viene esportato dal mesofillo e scaricato nel floema dove si ha il trasporto dei prodotti fotosintetici agli organi utilizzatori.

Quando la velocità di produzione del saccarosio supera quella di esportazione, la [saccarosio] aumenta nel citosol; la velocità dell’esportazione dipende dalla velocità con cui gli organi utilizzatori utilizzano il saccarosio che gli arriva.

TRASLOCAZIONE:

Nei tubi cribrosi scorre il succo floematico con saccarosio, raffinosio, stochiosio con un flusso di ~10-20g/cm²/h.

Al saccarosio sono legate 3-4 molecole di galattosio.

Nella foglia la [SACCAROSIO]à~1M

Nel mesofillo la [SACCAROSIO] = 1-10mM (inibitore) per cui occorre lavoro per arrivare alla foglia

Si ha un accumulo contro gradiente di [  ] nel floema.

Le cellule compagne possono essere trasformate in cellule di trasferimento.

I PORI della PLACCA CRIBROSAànella pianta viva sono aperti ma nelle sezioni erano chiusi per la disposizione del CALLOSIO prodotto e cacciato a tappare i pori in seguito a ferita.

Nella superficie di contatto tra mesofillo e floema, la densità dei plasmodesmi cala molto. Il passaggio di saccarosioàmembrana cellulare. Questo è un processo passivo mediato da PERMEASI secondo gradiente. L’assorbimento di saccarosio è trasporto ATTIVOàsimporto con H⁺ e H-ATPasi.

Il trasporto del floema può essere basipeto o acropeto.

Il saccarosio viene rilasciato dal floema all’organo utilizzatore:

-         SOURCEàorgano produttore

-         SINKàorgano utilizzatore

Il saccarosio arriva nel sink per via simplastica o apoplastica e il trasporto dipende:

-         dalla natura del sink: per es. nella spiga l’amido sta nei semi ma è un individuo diverso perché non ha gli organi

-         dal tipo di metabolismo del sink: se l’organo sink è in fase di crescita (meristema), prende il saccarosio e in parte diventa substrato respiratorioàATP

-         se il sink è un organo di RISERVA: accumulo saccarosio come tale a livello del vacuolo o per produrre amido 2° che essendo insolubile non aumenta l’osmolarità del succo.

Nelle piante che producono amido, è meglio il trasporto per via simplastica. Nel caso in cui lo scaricamento sia apoplastico, il saccarosio viene immesso nell’apoplasto (extracellulare) dove trova un enzima: INVERTASI (idrolizza il legame glicosidico fra glu e fru nel saccarosio; si chiama invertasi perché inverte la polarizzazione della luce). La [Sac] nell’apoplasto è bassa e quindi il Sac può uscire perché viene decomposto a glu e fruàriassorbiti attivamente nel parenchima.

A livello della foglia (SOURCE)à

-         assorbimento attivo di saccarosio all’interno degli elementi cribrosi

-         [sac] a valori elevati (~100 mM)

-         [  ] osmotica all’interno degli elementi floematici è elevataàvalore componente osmotica è negativoàrichiamo di H₂Oàpressione di turgore elevata

L’opposto accade a livello del SINKà

-         il saccarosio come arriva, esce

-         [sac] è decine di volte + bassa del source

-         [  ] osmotica + bassaà- negativo il valore della componente osmotica

Accumulo di saccarosioàabbassa la componente osmotica p: p = - j_S

Fra SOURCE e SINKàdifferenza di pressione di 0.3 MPa che sono 3 atm e questa ferma il flusso di massa della soluzione nei tubi cribrosi dal source al sink. Viene mantenuta la DC e DPàflusso continuo che va secondo gradiente di pressione. L’H₂O si muove contro il potenziale idrico, o meglio, si muove tutta la soluzione (H₂O + soluti).

Teoria di MUNCH: i pori devono essere aperti per far si che passano gli assimilati nel floema. Il flusso di massa implica che all’interno di un vaso il flusso sia unidirezionale: SOURCEàSINK però è bidirezionale o pluridirezionale perché i sink sono in varie direzioni rispetto al source. Il floema è fatto di tanti vasi e in piantaàflusso bidirezionale pur avendo nel tubo cribroso un flusso unidirezionale (basipeto e acropeto). Tutto ciò dipende dalla differenza di pressione che si genera dall’attività del sink perché l’abbassamento di pressione a livello del sink dipende dalla velocità con cui il saccarosio viene sottratto.

Forza del sinkàè la risultante della sua attività metabolica moltiplicata per la sua dimensione fisica e determina la velocità di esportazione degli assimilati fotosintetici e quindi influenza anche l’attività del processo fotosintetico.

La sintesi di saccarosioà

-         velocità dipendente dal sink

-         inibita dalla fotosintesi se direzionata verso l’amido 1°

-         rallentamento perché per l’amido 1° si creano condizioni inibitorie per il processo fotosintetico

-         la velocità della fotosintesi è controllata dalla comunicazione tra source e sink attraverso il floema

IL TRASPORTO XILEMATICO:

-         continua sempre

-         può diminuire la quantità di H₂O assorbita

L’accumulo di saccarosio richiama H₂O nei tubi cribrosi dallo xilema che genera una pressione negativa a livello dello xilema fogliare che è < di quella che si forma quando c’è la traspirazione MA sufficiente a drenare un flusso di massa nello xilema. L’H₂O viene fatta poi ritornare nello xilemaàRICIRCOLO

SOURCE-SINKà

-         definizione funzionale

-         attività metabolica che svolge l’organo in quel momento

Gli acidi grassi vengono sintetizzati nei plastidi.

Le piante possono trovarsi in carenza di O₂ a causa dell’H₂O e la velocità di diffusione in fase liquida è < rispetto alla fase gassosaàdiminuzione [O₂] in prossimità della radiceàmetabolismo anaerobioàfermentazione (lattica o alcolica) e capacità di modulare la glicolisi.

NUTRIZIONE AZOTATA:

Il costo energetico dell’organicazione dell’N è > di quello della CO₂àil costo energetico dell’accumulo dell’N è ¹/₅ dell’assimilazione della CO₂.

Nel terreno sono presenti NH₄⁺; NO₂^- e NO₃^- che è la prevalente.

L’N è presente in forma ridotta negli aa e il substrato utilizzato per la sua organicazione è quello NH₄⁺.

Sulla membrana cellulare è presente un SIMPORTO che utilizza il gradiente di H⁺ generato dalla H-ATPasi:

L’NH₄ permea attraverso i canali del K tramite la PERMEASI (trasporto passivo e carrier).

L’NO₂ è tossico e non si accumula mai perché l’attività della NITRITO RIDUTTASI è ~ 10 volte superiore a quella della NITRATO RIDUTTASI.

Nei cloroplasti la Fx viene ridotta nella reazione di Hill e una parte viene utilizzata per la riduzione dell’NO₂.

Nelle radici: NADPH + 2Fx_oxàNADP⁺ + 2Fx_red

Il NADPH riduce la Fx e occorre però ridurre il NADPH e questo viene fatto nei plastidi radicali dalla Glu-6-P deidrogenasi. Qui gli zuccheri attraversano il floema e possono essere metabolizzati attraverso la via dei pentoso-fosfati riducendo quindi il NADP in NADPH.

Per transaminazione si formano tutti gli altri aa dall’acido glutammico.

Il vantaggio evolutivo è dovuto al fatto che gli azotofissatori forniscono direttamente NH₄ alla pianta.

La glutamina sintetasi esiste in 2 isofprme: una plastidiale (foglie) e una citosolica (radice); per la riduzione e l’organicazione (in foglie e radici) partecipano enzimi citoplasmatici e plastidiali.

Nello XILEMA:

-         NO₃ e aa (glu, asp)

-         Non c’è NH₄ perché viene organicata nelle radici

-         Se viene assorbito NO₃àla riduzione e l’organicazione è contestuale cioè avvengono nelle radici o nelle foglie

L’NH₃ è tossica e permea attraverso la componente lipidica delle membrane e sottrae protoni (H⁺) tanto + quanto + è acido quel compartimento. Tenere bassa la [NH₄] è essenziale.

Quando la [NH₄] extracellulare è bassa, la pianta assorbe NO₃ quindi occorrono mecanismi di regolazione.

La capacità di assorbire NO₃ è influenzata dalla disponibilità di N sotto un’altra formaà2 tipi di regolazione a livello dell’espressione dei geni che codificano per il trasportatore del NO₃ e per gli enzimi annessi (NITRATO RIDUTTASI); sono geni la cui trascrizione è regolata in 2 modi:

1)      indotta  da NO₃

2)      repressa da glutammica (1° prodotto organicazione N)

Se c’è [NH₄] nel mezzo esterno, viene assorbito e organicato a glutammica (ne varia la sua [  ]) che inibisce la trascrizione dei geni. Se la [NH₄] esterna diventa così bassa che la velocità di assorbimento e organicazione diminuisce, i geni vengono derepressi e indotti sono se c’è NO₃.

L’ISOFORMA del trasportatore di NO₃ è costitutiva e presente una bassa Vmax e una alta Km; quella indotta da NO₃ e repressa da glutammica ha alta Vmax e bassa Km e si chiama indotta.

La velocità di riduzione dell’NO₃ è regolata anche dalla regolazione dell’attività catalitica dell’enzima e la glutammica ne determina l’inattivazione.

L’assimilazione di N avviene a spese di substrati carboniosi per produrre molecole azotate e con l’assimilazione di N si ha una regolazione tra velocità di organicazione del C e dell’N.

La luce è un segnale per la velocità di organicazione e serve per compiere lavoro nell’assimilare e ridurre l’NO₃.

COMUNICAZIONE TRA LE CELLULE VEGETALI:

-         scambio di informazioni

-         produzione segnaleàrispostaàeffetto

-         es. percezione di stress idrico a livello radicaleàchiusura stomi

-         meccanismi di comunicazione che permettono lo sviluppo coordinato della pianta

ORMONIà

-         permettono regolazione metabolismo

-         analoghi agli ormoni animali ma presentano alcune differenze tipiche  delle piante:

1)      crescita indefinita

2)      non possono muoversià> adattamento

3)      differenziamento meno spintoà> plasticitààtotipotenza

SISTEMA ORMONALEà

-         produzione dell’ormone da organi specializzatiàcircolazioneàorgano bersaglioàrisposta che nelle piante è + plastica perché l’identificazione dello specifico sito di produzione dell’ormone non è chiara in quanto ciascun ormone può agire su diversi organi o cellule bersaglio causando RISPOSTE FISIOLOGICHE differenti e uno stesso processo fisiologico può essere regolato da diversi ormoni.

-         Occorre una proteina capace di riconoscere un ormone

-         Possibilità di essere trasportati da una parte all’altra della pianta

-          Presenti a [  ] basse (mM)

-         modulare la velocità di un processo

AUXINEàIAA

GIBBERELLINEàGA1

CITOCHININEàCK (zeatina)

ACIDO ABSCISSICOàABA

ETILENEàCH₂=CH₂

BRASSINOSTEROIDI

Sono tutte molecole piccole (28 a poche centinaia) perché le cellule vegetali hanno la parete.

                                                                                  SITI DI PIANTA PRODUTTORI DI ORMONI

Questo fa si che vi sia una polarità intrinseca e l’IAA stimola il suo stesso trasporto perché attiva H-ATPasi.

DOMINANZA APICALEàinibizione gemme laterali; IAAàinibisce lo sviluppo gemme laterali; CKàprodotte dalle radici e trasportate dallo xilema stimolano lo sviluppo gemme laterali

Agrobacterium tumefacensisàplasmide per sintesi di IAA e CK

L’azione degli ormoni dipende dalle caratteristiche della cellula bersaglio.

La via sulla “sinistra” è reversibile mentre quella sulla “destra” è rilevante nel controllo del differenziamento (attivazione/disattivazione geni).

RECETTORI ORMONALIàse ne sa poco; sono diverse proteine capaci di legare IAA ma non è una caratteristica sufficiente, devono essere anche in grado di modificare la propria attività biologica.

Sono stati selezionati MUTANTI resistenti all’ETILENEàquesto dipende dalla incapacità di riconoscere l’etilene per via di una mutazione sulla proteina recettore; i recettori per l’etilene sono stati nominati istidinkinasi.

Per la mobilizzazione delle riserve amilacee si ha un aumento della [GA] e una diminuzione della [ABA]; avviene nei semi delle graminacee in cui la periferia è rivestita da uno strato di cellule morte ricche di amido chiamato strato aleuronico. Durante la germinazioneàda amido a glucosioàembrione.

a-amilasi: idrolizza i legami glicosidici 1à4 in punti casuali della molecola.

b-amilasi: scinde 2 unità di glucosio (maltosio) dalle catene di amilosio

Amilasiàprodotta dallo strato aleuronico da cui viene secreto e agisce nell’endosperma

Per trasformare l’amido in glucosio occorre il segnale di un ormone che è la GIBBERELLINA, mentre l’ABA inibisce la trascrizione del gene dell’a-amilasi.

PERCEZIONE SEGNALI AMBIENTALI:

La percezione del segnale luminosoàmediata dalla clorofilla ma la luce viene anche percepita dal recettore della luce bluàapertura stomiàCO₂àfotosintesi.

L’illuminazione influisce sulla forma delle piante e la luce influenza il differenziamento dei fiori, la crescita della piantina e il differenziamento dei cloroplasti a seconda della quantità e qualità di luce assorbita.

I fotorecettori innescano la traduzione dell’informazione nello stimolo luminoso che porta al differenziamento. Si riconoscono  quindi semi fotoblastici negativi e positivi rispettivamente che non germinano e germinano alla luce.

Mettendo in relazione la risposta fotomorfogenica e la lunghezza d’onda che giunge si ottiene uno spettro d’azione:

-         3 classi di fotorecettori implicati nella traduzione dell’informazione nella luce

-         recettori UV

-         recettori BLU

-         fitocromo (rossa)

FITOCROMO:

-         2 isoforme (A e B) espresse al buio e implicate nelle prime risposte alla luce

-         proteina, omodimero di ~120.000 D, cromoforo (il pirrolo) non ciclizzato

-         caratteristiche spettrali particolari perché cambia configurazione e quindi spettro di assorbimento.

Forma Prà

-         lunghezza d’onda del rosso

-         in seguito all’assorbimento si trasforma in Pfr che assorbe le lunghezze del rosso lontano (far red)

La forma biologicamente attiva è Pfr per cui si osserva come varia il rapporto Pfr/Ptot a lunghezze d’onda diverse e si nota che si ha una risposta + sensibile alle variazioni di [Pfr] che non a quelle di [Pr].

Ptot = Pr + Pfr (1)

Pfr/Ptot = 0.8 ; se aumenta questo allora il rapporto Pr/Ptot diminuisce.

Il prodotto di sintesi del citocromo è la forma Pr e quando la pianta esce dal terrenoàPfr.

La pianta è in grado di misurare la durata del periodo di buio grazie al citocromo perché al buio la forma Pfr è instabileà

-         Pfr reverte spontaneamente a Pr

-         Pfr viene degradato da proteasi

-         Al buio Pfr/Ptot diminuisce

-         Prodotto di sintesi delle proteasi è Pr

Questo è chiamato fotoperiodismo: cambiamento dei processi fisiologici della pianta tra durata del giorno e della notte.

Si distinguono piante longidiurneàfioriscono se il rapporto durata giorno/durata notte è > 0

E piante brevidiurneàviceversa.

Quello che le piante misurano è la durata della notte (che è + costante) difatti se illumino con un FLASH di luce (pochi minuti) la pianta nel periodo di buio noto che le SDP (Short day plants) non fioriscono mentre le LDO (Long day plants) si. Questo perché nel momento del flashàPfr a Pr.

La luce filtrata (da altre piante o foglie) è arricchita in rosso lontano perché il rosso è assorbito dalla altre foglie e questo effetto filtro abbassa il rapporto Pfr/Ptot che da 0.5 passa a 0.1-0.2. In natura quindi il rapporto precedente è tra 0.1 e 0.5.
L’intensità luminosa (frequenza di fotoni) non influenza il rapporto tra le 2 forme Pfr e Pr ma influenza solo la velocità  con cui viene raggiunto il rapporto tra le 2 forme.

TRADUZIONE SEGNALE LUMINOSO:

La conversione fra Pr (+ idrofila) e Pfr (+ idrofoba)àcomporta un cambiamento della conformazione delle molecole e del rapporto idrofilicità/idrofobicità.

Pfrà> tendenza ad associarsi alle membrane e FORSE influenza l’attività di qualche proteina di membrana e difatti si sono osservate sia variazioni della ddp che variazioni dei flussi ionici e un aumento dei flussi di Ca⁺⁺.

Il Ca⁺⁺ è un buon 2° messaggero del segnale percepito dal citocromo perché è in grado di mimare le risposte del segnale percepito dal citocromo. Le risposte di fitomorfogenesi:

-         differenziamento (cloroplasti)

-         effetto su trascrizione di geni

-         cambiamento attività proteica

Sono stati utilizzati mutanti nelle forme di citocromo (eziolamentoàno plastidi differenziati) ad es.

Proteina G: regolatore nella traduzione dei segnali ormonali negli eucarioti, legato il GTP e attivate da tale legame.

GTPgSànon può essere idrolizzato per cui blocca la proteina G nella forma attiva

Ca⁺⁺àmima parte degli effetti del citocromo

CaMàcalmodulina: 4Ca⁺⁺ + CaMà4CaCaM

Nucleotidi cicliciàcGMP fa sintesi di antociani

cGMP + CaCaMàstimola la produzione di “tutto”

RIEPILOGO FOTOCHIMICA:

(3)

Il sistema fotosintetico ossida l’H₂O ad O₂ senza alcuna partecipazione della CO₂ e l’accettore finale degli elettroni è il NADPH.

Qàbrusca caduta all’incirca a 680 nm e una grande efficienza a 700 nm.

2 fotosistemi localizzati nella membrana dei tilacoidi ciascuno dei quali è costituito da un complesso proteico transmembrana formato da + subunità e comprende pigmenti dell’antenna, clorofilla del centro di reazione e i trasportatori di elettroni.

EVENTO FONDAMENTALE DEI PSàtrasferimento di un elettrone eccitato da un centro di reazione (P680 o P700) alla catena di trasporto degli elettroni.

La fonte ultima di elettroni è la molecola di acqua e la loro meta finale è la molecola di NADP⁺.

I protoni (H⁺) vengono rilasciati nel lume dei tilacoidi in 2 punti del processo di trasporto degli elettroni e alcuni di questi derivano dalla scissione dell’acqua e altri provengono dallo stroma. Il trasferimento di protoni nel lumeàgradiente di pH a cavallo della membrana tilacoide che viene utilizzato per produrre ATP.

I prodotti della fase luminosa sono quindi ATP e NADPH utili per la fase oscura nel ciclo di Calvin.

Fotosistema 2: la fotolisi dell’acqua

Il PS effettua una serie di reazioni di ossidoriduzione.

-         fotone convogliato alla clorofilla del centro di reazione (P680)

-         eccitazione del P680 che diventa ottimo agente riducente capace di trasferire velocemente l’elettrone eccitato dal P680 stesso ad un accettore primario che si trova a un livello energetico minore ovvero la feofitina (Ph)

-         l’elettrone viene poi trasferito ad una serie di molecole di plastochinone (Q_A e Q_B)

-         2 elettroni e 2 H⁺ (derivanti dallo stroma) vengono raccolti dal Q_B

-         il plastochinone ridotto (plastochinolo QH₂) viene rilasciato nella porzione lipidica della membrana tilacoide

-         il pastochinolo interagisce con un complesso legato alla membrana e costituito da citocromi e proteine ferro – zolfo: il citocromo bf (cyt bf) che catalizza il trasferimento di elettroni ad una proteina contenete rame (Cu), la plastocianina (PC)

-         quando il QH₂ viene riossidato a Q, i 2 H⁺ vengono rilasciati nel lume dei tilacoidi

-         la PC che è una proteina mobile passa i suoi elettroni al PS 1 del P700 e in questo processo il Cu della PC da ridotto Cu(1) passa ad ossidato Cu(2)

-         il P680 è sprovvisto di elettroni ed è trasformato in un potente ossidante (P680⁺), questi elettroni vengono recuperati dall’acqua che viene scissa in presenza di un accettore di elettroni con concomitante produzione di O₂, questo accettore è MnC e contiene 4 atomi di manganese e lo consentono di legare 2 molecole di acqua e di estrarre da esse 4 elettroni che vengono passati al centro di reazione  ossidato del (P680⁺) tramite un intermedio chiamato Z.

-         i 4 H⁺ che si formano vengono rilasciati nel lume del tilacoide contribuendo al gradiente.

Fotosistema 1: la produzione di NADPH

-         gli elettroni (provenienti dal PS2) vengono nuovamente rilasciati da un centro di reazione (P700) a seguito dell’eccitazione prodotta dalla luce e fatti passare attraverso una seconda catena di trasporto degli elettroni

-         il P700 passa grazie ad un fotone, allo stato eccitato

-         ogni elettrone passa attraverso una catena di trasporto e viene catturato da una clorofilla accetrice (A₀) e poi trasferito ad una molecola di fillochinone (A₁)

-         infine viene fatto passare attraverso una serie di 3 proteine ferro-zolfo (F_X; F_A; F_B)

-         l’elettrone viene trasferito ad un'altra proteina ferro-zolfo, la ferrodossina (Fd), una proteina solubile che si trova nello stroma

-         l’enzima ferrodossina NADP⁺ ossidoriduttasi catalizza il trasferimento di elettroni al NADP⁺

-         il NADPH prodotto dall’ossidazione della Fd viene rilasciato nello stroma, dove insieme all’ATP verrà utilizzato nella fase oscura

-         P700⁺ devono essere riforniti di elettroni che sono forniti dal PS2 tramite la PC

LA FASE OSCURA: IL CICLO DI CALVIN

È un processo che avviene nello stroma del coloroplasto e la sua funzione è quella di fissare la CO₂ dell’atmosfera nei carboidrati utilizzando l’energia e il potere riducente prodotti durante la fase luminosa.

FISSAZIONEàattuata legando le singole molecole di CO₂ ad una molecola accetrice e incanalando quest’ultima in una serie ciclica di reazioni: ciclo di Calvin. Questo consta di 2 fasi: una prima in cui la CO₂ viene  intrappolata sotto forma di carbossilato e ridotta al livello di aldeide o chetone. La seconda fase è destinata alla rigenerazione delle molecole accetrici.

Fase I: fissazione CO₂ e produzione di carboidrati

-         la CO₂ viene incorporata nella G3P; l’accettore è il RuBP e la CO₂ viene legata al carbonio carbonilico del RuBP

-         l’enzima che catalizza questa reazione è la RUBISCO

-         ciascuna molecola di G3P viene fosforilata dall’ATP in una reazione catalizzata dalla fosfoglicerato chinasi

-         si forma 1,3-BPG che viene successivamente ridotto a G3P con l’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi e viene utilizzato NADPH

-         per ogni molecola di CO₂ sono state idrolizzate 2 ATP e ossidate 2 NADPH con formazione di 2 G3P

-         in tutto il ciclo si svolge in 6 volte e si producono 12 G3P, 6 delle quali usate per produrre 3 molecole di Fru-1,6-BP di 1 sola sarà il prodotto netto

LA FOTORESPIRAZIONE e CILCO C₄

La RUBISCO ha un’azione sia carbossilasica che OSSIGENASICA difatti se nell’atmosfera la [O₂] aumenta, la RUBISCO lega l’ossigeno al Ru-1,5-BP producendo 1 molecola di G3P ed 1 di FOSFOGLICOLATO che è tossico e segue questa via: LA FOTORESPIRAZIONEà

Per evitare la perdita di CO₂ le piante C4 concentrano l’attività fotosintetica del Ciclo di Calvin nelle cellule della guaina del fascio mentre le cellule del mesofillo contengono gli enzimi del ciclo C4. Queste piante sono chiamate C4 perché fissano la CO₂ nell’OAA, un composto a 4 atomi di C.

Il CICLO C4à

La separazione tra fissazione di CO₂ e RUBISCO è spaziale mentre nelle CAM la separazione è temporale.

(1)-(2)-(3) = immagini prese da Internet con molta probabilità i siti sono presenti nella pagina "Links Scientifici"

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