regulación osmótica en células vegetales

REGULACIÓN OSMÓTICA
EN CÉLULAS VEGETALES
Prof. Serrana Rodríguez
Curso de Verano IPA -2007
Transporte de agua



El transporte de agua a través de las membranas
biológicas juega un papel fundamental en la homeostasis
del medio interno.
Constituye un tipo particular de difusión simple. Es decir
que se trata también de un transporte pasivo a favor de
gradiente químico
En el caso del transporte de agua, la fuerza impulsora
resulta del balance entre dos componentes que
individualmente promoverían flujos de agua en sentido
opuesto. Estos componentes son: la presión
hidrostática y la presión osmótica.
(∆P - ∆p)
AL presentar las membranas
permeabilidad selectiva…
J = L. (DP - sDp)
Al presentar pared celular….
se generan diferencias en presión
hidrostática entre los medios intra e
intercelular y el flujo de agua (J) no se
produce solo por diferencias de
osmolaridad

Un sistema alcanzará el equilibrio cuando la tendencia al
escape por diferencias de presión hidrostática sea igual y
opuesta a la tendencia al escape por diferencias de presión
osmótica generada por el soluto.
En estas condiciones el sistema estará en equilibrio
osmótico.
 los organismos vivos se encuentran en
equilibrio osmótico. Por otra parte, éste es el
único equilibrio que alcanzan los seres vivos.

En términos generales se dice que los
organismos vivos se encuentran, desde el
punto de vista termodinámico, en estado
estacionario.

En equilibrio osmótico
sale tanta agua como
entra.
Los canales de agua





En el siglo XIX se pensaron como aberturas en la membrana celular
que permitieran el flujo de agua y sales.
1950: se propuso la presencia de poros que admitían el pasaje
simultáneo de agua y solutos.
En los 30 años siguientes se estudiaron en detalle esos poros y se
consideró que debía haber algún tipo de filtro que impidiera que
pasaran otras partículas que no fueran las moléculas de agua.
"Cuando se comenzaron a hallar los canales iónicos, se creyó que el
agua no requería una vía específica y que podía pasar por difusión a
través de la membrana",
"Pero el problema era la regulación: si no hay una estructura de
proteína es muy difícil que se pueda regular la entrada y salida y las
moléculas




En 1992 Peter Agre logró identificar esa proteína
tan buscada, a la que bautizó "acuaporina".
año 2000: Agre logró las primeras imágenes alta
la estructura tridimensional de la acuaporina. Ello
permitió determinar cómo funciona el canal de
agua y, conocer por qué sólo admite moléculas de
agua y no de iones
Los estadounidenses Peter Agre y Roderick
MacKinnon recibieron el Premio Nobel de Química
2003 por sus descubrimientos sobre los canales en
la membrana celular.
SIMPLASTO - APOPLASTO
APOPLASTO: compartimiento
extracelular (paredes celulares y
espacios intercelulares)
SIMPLASTO: compartimiento
intracelular (protoplasto
interconectado por plasmodesmos)
Agua y Acuaporinas (AQP)

Absorción radical
2 rutas posibles:
a-. vía apoplástica
b-. vía celular
por M.P
bicapa
AQP
por tonoplasto
ABSORCIÓN DE AGUA
¿Cómo pasa el agua por la pared
celular?


“La pared primaria es una red de
microfibrillas cristalina de celulosa
embebidas en una matriz hidrofílica de
hemicelulosa y pectinas” Puede incorporar
y retener agua
Los huecos entre fibrillas (poros)
permiten pasar agua y solutos.
MODELO A ESCALA DE UN FRAGMENTO DE LA PARED PRIMARIA
Las barras verdes representan fibrillas de celulosa que dan resistencia a la
tensión. Otros polisacáridos forman enlaces cruzados con las fibrillas de
celulosa –hebras rojas- y otros llenan los espacios entre ellas- hebras
azules-dando resistencia a la compresión.
B.Alberts

Las cél. Vegetales previenen la lisis con
sus paredes y pueden tolerar diferencias
osmóticas, se genera una presión de
turgencia .
 a)
Célula vegetal turgente. La vacuola
central es hipertónica en relación al
fluido que le rodea y, por lo tanto,
entra agua.
Al tener > nº de partículas la solución
de la vacuola tiende a captar agua.
 La
presencia de pared genera Presión
Hidrostática
p
H2O
p
P
P
H2O
(b) Cuando se coloca en una
disolución iso-osmótica el agua
entra y sale de la vacuola .
(∆P = ∆ pi)
(c)
La célula en una
disolución hiperosmótica
pierde agua y, por lo
tanto, se plasmoliza,
separándose la M.P de
la pared celulósica.
Marchitamiento y plasmólisis


Web Figure 3.7.A Plasmolysis of an
Epidermis Cell of Allium cepa after
Addition of Calcium Nitrate. Both
chloroplast and vacuole become
unevenly shaped. Strands of cytoplasm
remain between the shrinking
protoplasm and the neighboring cells.
Courtesy of Dr. Peter v. Sengbusch,
University of Hamburg.
Plant physiology 4º ed cap.3
PROCESOS VITALES DEPENDIENTES
DE LA TURGENCIA
•Mantenimiento de forma externa
•Crecimiento longitudinal
•Movimientos de variación- nastias
•Apertura y cierre de los estomas
En todos, el mecanismo implicado es :
a.- Transporte activo primario de H+
b.-Transporte activo secundario de iones
c.- Procesos osmóticos
ESTOMAS Y MOVIMIENTO ESTOMÁTICO
Plant Physiology vol II - Fisiología Vegetal. Salisbury Ross - Botánica Luttge


Se demostró en monocot- que
el mecanismo involucrado en
apertura-cierre era el de
turgencia
Cél. Oclusivas con el aumento
de volumen y turgencia------ABRE OSTÍOLO



Pérdida de volumen--------ESTOMA CERRADO
Turgencia aumenta por la
acumulación de K + y malato en
las vacuolas de cél oclusivas.
El H+ está menos concentrado
en cel.oclusivas que en las
acompañantes (o subsidiarias)
plasmalema
tonoplasto
apoplasto
vacuola
CO2
PEP
OAA
almidón
cloroplasto
MÁLICO
K+
K+
2
Cl-
Cl-
IÓN MALATO
K+
4
Cl-
H+
H+
ATPasa
H2O
H2O
Absorción de K+ por las cél.
oclusivas




Cuando las hojas se colocan en la oscuridad, el
K+ pasa de las células oclusivas a las
circundantes y los estomas se cierran
La luz provoca acumulación de K+ en las cél.
oclusivas.
Este K +proviene de las cél epidérmicas
adyacentes
El Cl- en algunas especies acompaña al K+
Bomba de protones :aumento
del pH en células oclusivas

Cuando entra K+ sale un número igual de H+.

Este H+ viene
del ac málico
degradación del almidón en PEP
(En CAM se produce ac málico en la oscuridad al abrirse los estomas
y entrar CO 2 )
Si H+ se acumulara el pH bajaría (acidez).
Se hace más negativo el potencial osmótico por la
acumulación de K y/o aniones orgánicos.
Bomba de protones en la célula vegetal.
Su importancia:
-en plantas no transporta Na+ sino
hidrogeniones
- regulación del pH
- da energía a transportes activos
secundarios

ATPasa

Al expulsar H+, actúa como bomba electrogénica
(genera una corriente neta hacia fuera.)

En plantas y hongos la ATPasa bombeadora de
protones impulsa transportes secundarios
acoplados al gradiente primario de protones.
¿Por qué la diferencia entre ATPasa en cél.
animales y vegetales?


Presencia de pared celular, que resuelve el
problema osmótico.
Ambiente relativamente ácido y pobre en
Na+ de las plantas.
Pared Celular pH 5
H+
H+
Sac.
NO3- H+
H+
H+
M.P
ATPasa
H+
ATP
COTRANSPORTE
Ca2+
Na+
ANTIPORTE
ADP + Pi
Los protones que extrae la ATP asa pueden
regresar al citosol por cotransporte o
antiporte
Citosol pH 7
Hay 2 flías de ATPasa en cél.vegetal:
•Que
bombean solo protones. Están en
membrana de cloroplastos, mitocondrias,
vacuolas
•Que
bombean protones y otros iones (K+).
Están en la M.P.
Son menos complejas y forman un intermediario
fosforilado al hidrolizar el ATP. Por eso tienen
varias conformaciones c/u con diferente afinidad
por los protones (Enzima fosforilada bombea H+ al ext.)
Distribución de ATPasas en la planta

ESTOMAS…

FLOEMA…

acumula K+ y Cl-
transporte activo de sacarosa acoplado
a protones
RAÍCES…-en EPIDERMIS (pelos radicales)
-en ENDODERMIS
-en PERICICLO
Transporte activo secundario de nutrientes hacia el xilema
La Vacuola en la cél. vegetal





En una célula vegetal diferenciada la vacuola
ocupa 80 al 90% del volumen celular
El agua vacuolar controla el nivel hídrico del
citoplasma.
La vacuola participa en la turgencia y forma
celular
El agua vacuolar funciona como “buffer”.[1]
[1] Participación en la homeostasis: el tonoplasto tiene una bomba de
hidrogeniones que bombea H+ desde el citosol al interior de la vacuola.
Mantiene el pH del citosol ligeramente alcalino (7.5 a 8) y el pH vacuolar
ácido (5 a 6) fundamental para su función.
pH apoplástico:
Desciende
Permanece bajo
K+
K+
K+
K+
OH-
H+
ATP
H+
Cl-
OH-
Cl-
Cl-
Cl-
ADP + Pi
K+
K+
H+
H+
Sube
Malato2-
Malato2-
ADP + Pi
Malato2-
H+
H2O
H+
Malato2OH-
Ácido
málico
H+
ATP
OAA
CO2
Almidón
pH celular:
5.2  5.6
Primera etapa
de la apertura
estomática
5.6
5.6  5.2
Segunda etapa
de la apertura
estomática
Cierre
estomático
H+
Efecto del ACIDO ABSCÍSICO
en los estomas

Estrés hídrico
producción de ABA
cierre de estomas
ABA hace que las cél oclusivas pierdan K+
Es probable que actúe sobre los canales iónicos.
En células oclusivas las microfibrillas de celulosa
de la pared están dispuestas radialmente, en
forma divergente a partir de la zona que
bordea al ostiolo.
Además en esta zona la pared suele estar
bastante más engrosada que en el resto, y por
tanto es más rígida y difícilmente deformable.
La presión de turgencia del protoplasto hace
que las paredes exteriores se curvan en mayor
medida que las que bordean al ostiolo); por lo
que estas paredes interiores se separan.


La acumulación de solutos provoca un
movimiento de agua hacia el interior de
las células oclusivas.
La disminución de la concentración de
solutos en las células oclusivas produce el
movimiento del agua hacia el exterior.
Con el aumento de concentración de K+,
el estoma se abre, y con un descenso, el
estoma se cierra.


Como contrapartida, también se produce
un aumento de cargas negativas,
concretamente los aniones cloruro (Cl-) y
malato.
Los iones K+ y Cl- proceden del exterior
de la célula, mientras que el malato se
genera en la célula oclusiva, por
disociación del ácido málico derivado de la
hidrólisis del almidón.
Molecular Cell Biology 2000

Crecimiento longitudinal
dependiendo de la turgencia
Mecanismo:
Pared Primaria : microfibrillas orientadas en todas
direcciones lo que da extensibilidad y permite
elongación.
Hipótesis del crecimiento Ácido………
En respuesta a AUXINA (AIA) las microfibrillas se
separan y se deslizan unas sobre otras
Entra agua, el protoplasto hace presión contra la
pared y se produce el crecimiento

Conservación de sal en el arroz

(Oryza sativa)
Martinez Atienza et al. Plant Physiology 143:1001-1012 (2007)
Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Sevilla .
Universidad Politécnica de Madrid, y Departamento de Botánica
Univ de California.
(La tolerancia a la sal del arroz se correlaciona con el
mantenimiento de bajos niveles de Na/K celulares y con la
salida de Na+)
1º caracterización molecular y bioquímica de canales proteicos
para Na+ ,en monocotiledóneas
.
Respuesta al estrés hídrico y salino.
Ajuste osmótico (osmorregulación)
Fisiol.Veget.Salisbury-Ross
En los tejidos sujetos a concentraciones
de sal elevada, aumentan los compuestos
orgánicos que no tienen los efectos
tóxicos de la sal, manteniendo un balance
osmótico
 Prolina, Betaina por ej.hacen el ajuste
osmótico.
 Impiden que salga el agua de los tejidos.
Nastias:

movimientos dependiente de la turgencia
Dionaea
(Droseraceae)
Detalle de un pelo sensitivo y su base
Dionaea muscipula.