Laboratorio 4 "TRANSPIRACIÓN"

Junto con saludarles, dejo a su disposición en fisiologiave@gmail.com los horarios en los cuales se realizará el Lab n°4 "Transpiración", cuyo informe correspoderá a la 4° y última nota del Laboratorio de Fisiología Vegetal. Estos horarios se distribuyen entre Martes y Viernes de esta semana, para lo cual les sugiero que los revisen con tiempo para inscribirse con ivonne en el que mas les convenga.

Sobre el laboratorio recuperativo, les informo que se realizará dentro de la semana del 7 de Julio, y en un horario que se les avisará con anticipación.

Sin otro particular, y esperando verlos en el Laboratorio, me despido con un abrazo.

NUTRUCION MINERAL de las Plantas

Además del carbono y oxígeno, que se incorporan al organismo vegetal a través de las hojas, las plantas requieren para su metabolismo y, en especial, para formar sus propias sustancias de otros elementos que se derivan, originalmente, del suelo (a excepción de la mayor parte del nitrógeno que proviene de la atmósfera)

La importancia de estos elementos está lejos de guardar relación con su abundancia; así, los que se requieren en mayores cantidades son nitrógeno, fósforo y potasio; les siguen calcio, azufre y magnesio constituyendo en conjunto los llamados macroelementos. Además, pequeñas cantidades de hierro, cobre, zinc, boro, manganeso, molibdeno, cloro y posiblemente sodio y cobalto, conocidos todos como microelementos, son también esenciales.

El criterio, generalmente aceptado, para determinar si un elemento es esencial fue propuesto por arnon y stout (1939) y considera que: - Si el elemento no se proporciona la planta no puede crecer o reproducirse normalmente, - la acción debe ser específica e irremplazable por otro elemento y – el elemento debe ejercer un efecto directo en la planta.

Estas necesidades son cubiertas por ciertas sales minerales (sales nutritivas), las que son absorbidas en forma de cationes y aniones. En este proceso participa básicamente la raíz de las plantas terrestres y todo el organismo en las plantas acuáticas. Sin embargo, también puede encontrarse absorción de iones a través de la superficie de las hojas de las plantas terrestres (principio en que se basa la fertilización foliar).

La absorción de iones por las células de la raíz es un proceso complejo y aún no totalmente esclarecido. La primera barrera fisiológica al paso de los iones hacia el interior del citoplasma es el plasmalema que regula la difusión libre de iones. Sabido es que todas las membranas citoplasmáticas son diferencialmente permeables, permitiendo que algunas sustancias pasen a través de ellas más fácilmente que otras, o pueden bloquear completamente el paso de algunas otras. Se ha observado en general, que la permeabilidad a las sustancias no polares, en oposición con la de sustancias polares (solubles en agua), aumenta con el peso y el tamaño molecular, esto es, con el aumento de apolaridad y por lo tanto mayor solubilidad en grasas.

A pesar de los extensos estudios realizados hasta hoy día, no existe aún total comprensión de las bases de la permeabilidad diferencial de la membrana citoplasmática; buena parte del problema radica en que la organización molecular de la misma aún no esta clara, aunque se sabe que está formada fundamentalmente de proteínas y lípidos.

Se ha visto, además, que esta permeabilidad diferencial cambia con determinadas condiciones experimentales, tales como: balance de iones mono y divalentes, pH, deshidratación y moléculas reguladores como el fitocromo.

Se han realizado numerosas investigaciones sobre el transporte de iones, siendo propuestos diversos mecanismos; algunos de ellos son procesos puramente físicos y se conocen bajo el nombre global de “absorción pasiva”, pero el mecanismo más importante en la acumulación de iones contra el gradiente de difusión se conoce como “absorción activa”, requiriendo, por lo tanto, la energía metabólica a partir de la respiración.

Para la planta no basta solo con disponer de todos los elementos esenciales en forma de iones apropiados en el suelo, sino que estos deben estar presentes en una relación óptima, al mismo tiempo la concentración iónica total no debe superar cierto valor crítico por razones osmóticas. El valor pH es también importante en la absorción de iones.

Con el objeto de determinar las necesidades absolutas de una planta respecto a los elementos individuales, o bien a sus cantidades óptimas, se introducen sus raíces en una solución nutritiva en la cual están disueltas diferentes sales inorgánicas y se observa luego su desarrollo. Si una solución nutritiva contiene todos los macro y microelementos en cantidades suficientes y en una relación adecuada, la mayoría de las especies vegetales crece en forma normal, si la iluminación y el suministro de CO₂ son adecuados.

En condiciones naturales la planta absorbe los iones del suelo a través de las raíces y las características de aquellas determinan la magnitud del crecimiento vegetal. La lixiviación del suelo, así como la constante remoción de la cubierta vegetal, inducen fluctuaciones en la concentración de iones de la solución edáfica, pero las características generales de la acción amortiguadora del suelo impiden la acumulación unilateral de ciertos iones y con ello disminuyen las posibilidades de un efecto tóxico sobre las plantas.

Aquellos suelos cultivados intensivamente se empobrecen de sales nutritivas, lo que generalmente se compensa mediante fertilizaciones.

SOBRE EL LABORATORIO 3...

Se les comunica que los nuevos horarios del Laboratorio de Fisiología Vegetal son los siguientes:

Martes: 16.45 - 18.15

Miercoles: 15.15 - 16.45

Jueves: 8.30 - 10.00

Los laboratorios se reanudaran el día Martes 17 de Junio, para lo cuál deberán inscribirse en el horario que mas les convenga (donde Ivonne)

Definitivamente el Laboratorio Nº 3 (Nota 3) consta de solo 1 experimento: "Permeabilidad Diferencial de Membranas" (Betarragas). Por lo tanto aquellos alumnos que ya realizaron este experimento no es necesario que vuelvan a repetirlo a menos que ellos estimen conveniente volver a hacerlo, de lo contrario les queda pendiente la entrega del Informe, con plazo máximo de entrega el día Viernes 20 de Junio. La pauta Guia del Laboratorio está disponible en fisiologiave@gmail.com.

Buena Suerte¡¡

MEMBRANAS CELULARES

La estructura y función de las células dependen de forma crucial de las membranas, que no solo separan el interior de la célula de su entorno sino que también definen los compartimentos internos de las células eucariotas, incluyendo las organelas de núcleo y citoplasma. La formación de membranas se basa en las propiedades de los lípidos y todas las membranas celulares comparten una misma organización estructural: bicapas de fosfolípidos con proteínas asociadas.

LIPIDOS DE MEMBRANA

Los bloques de construcción fundamentales de todas las membranas celulares son los fosfolípidos, que consisten en dos cadenas de ácidos grasos hidrófobos ligadas a un grupo de cabeza hidrófilo que contiene fosfato. Debido a que sus colas de ácidos grasos son escasamente solubles en agua, los fosfolípidos forman bicapas espontáneamente en soluciones acuosas, con las colas hidrófobas enterradas en el interior de la membrana y los grupos polares de cabeza expuestos en ambos lados, en contacto con el agua. Dichas bicapas fosfolipídicas forman una barrera estable entre dos compartimentos acuosos y representan la estructura básica de todas las membranas.

Los lípidos constituyen aproximadamente el 50% de la masa de la mayoría de las membranas celulares, aunque esta proporción varía dependiendo del tipo de membrana. Las membranas citoplasmáticas por ejemplo son aproximadamente un 50% de lípidos y 50% de proteínas.

PROTEINAS DE MEMBRANA

Las proteínas son el otro constituyente principal de las membranas celulares, constituyendo entre el 25 y el 75% de la masa de las diversas membranas de la célula. El modelo actual de la estructura de la membrana las considera como un mosaico fluido en el que las proteínas están insertadas en una bicapa lipídica. Mientras los fosfolípidos proporcionan la organización estructural básica de las membranas, las proteínas de m

embrana desempeñan las funciones específicas de las diferentes membranas de la célula. Estas proteínas se dividen en dos tipos generales, basándose en la naturaleza de su asociación con la membrana. Las proteínas integrales de membrana están embebidas directamente dentro de la bicapa lipídica y muchas de estas atraviesan la bicapa lipídica (llamadas también proteínas transmembrana). Las proteínas periféricas de membrana no están insertadas en la bicapa lipídica pero están asociadas con la membrana indirectamente, generalmente a través de interacciones con las proteínas integrales de membrana.

Transporte a través de membranas celulares

La permeabilidad selectiva de las membranas biológicas a las moléculas pequeñas permite a la célula controlar y mantener su composición interna. Sólo las moléculas pequeñas no cargadas pueden difundir libremente a través de las bicapas de fosfolípidos. Las moléculas pequeñas no polares, como el O₂ y el CO₂, son solubles en la bicapa lipídica y por lo tanto pueden cruzar fácilmente las membranas celulares. Las moléculas polares pequeñas no cargadas como el H₂O, también pueden difundir a través de las membranas, pero moléculas polares no cargadas mayores, como la glucosa, no pueden. Las moléculas cargadas, como los iones, son incapaces de difundir a través de una bicapa de fosfolípidos independientemente de su tamaño; incluso los iones H⁺ no pueden cruzar una bicapa lipídica por difusión libre.

Aunque los iones y la mayoría de las moléculas polares no pueden difundir a través de una bicapa lipídica, muchas de estas moléculas son capaces de atravesar las membranas celulares. Estas moléculas pasan a través de las membranas gracias a la actuación de proteínas específicas transmembrana, que actúan como transportadores.

Dichas proteínas de transporte determinan la permeabilidad selectiva de las membranas celulares y de este modo desempeñan un papel crucial en la función de la membrana. Contienen múltiples regiones que atraviesan la membrana formando un conducto a través de la bicapa lipídica, permitiendo que las moléculas polares o cargadas atraviesen la membrana por un poro proteínico sin interactuar con las cadenas hidrófobas de ácidos grasos de los fosfolípidos de membrana.

Hay dos tipos principales de proteínas de transporte de membrana: los canales proteínicos y las proteínas transportadoras.

Los canales proteínicos forman poros abiertos a través de la membrana, permitiendo libremente el paso de cualquier molécula del tamaño adecuado. Los canales iónicos, por ejemplo, permiten el paso de iones inorgánicos como Na⁺, K⁺, Ca²⁺, y Cl^- a través de la membrana plasmática. Una vez abiertos, los canales proteínicos forman poros pequeños a través de los cuales pueden cruzar la membrana por difusión libre iones del tamaño y carga adecuados. Los poros formados por estos canales proteínicos no están permanentemente abiertos; mas bien, pueden ser abiertos o cerrados selectivamente en repuestas a señales extracelulares, permitiendo a la célula controlar el movimiento de iones a través de la membrana. Estos canales iónicos regulados han sido estudiados especialmente bien en células nerviosas y musculares, donde median la transmisión de señales electroquímicas.

En contraste a los canales proteínicos, las proteínas transportadoras unen y transportan selectivamente moléculas pequeñas específicas, como la glucosa. En vez de formar canales abiertos, las proteínas de transporte actúan como enzimas para facilitar el paso de moléculas específicas a través de las membranas. En particular, las proteínas de transporte unen moléculas específicas y después experimentan cambios conformacionales que abren canales a través de los cuales la molécula que será transportada puede pasar a través de la membrana y ser liberada en el otro lado.

ESTOMAS

La planta puede perder agua en forma lí­quida (Ej. gutación) o como vapor de agua a través de transpiración (estomática, cuticular y lenticelar).

La transpiración estomática es, básicamente, un proceso de evaporación controlado por los estomas. La energí­a solar es la que permite la evaporación del agua.

Los estomas, conocidos también como aparato estomático son poros microscópicos (osti­olo) limitados por dos células epidérmicas especializadas, llamadas células de guarda (de cierre u oclusivas) que controlan Ia abertura y cierre del poro gracias a que una de las paredes es más rí­gida e inelástica por su mayor grosor. La forma de las células de guarda varí­a con la especie. A veces están acompañadas por células epidérmicas diferentes, llamadas células acompañantes (subsidiarias o accesorias).

A diferencia de las otras células epidermales, las células de guarda presentan un núcleo bastante grande y pequeños cloroplastos, una mayor cantidad de fosforilasa, ATPasa y peroxidasas y son capaces de acumular iones Ca⁺⁺ y K⁺ contra un gradiente de concentración cuando disponen de suficiente ATP.

El mecanismo de abertura y cierre estomático ha sido objeto de numerosas investigaciones. Se sabe ya que es una respuesta directa a un aumento o disminución del turgor de las células de guarda. Los cambios en el potencial de agua hacen que el agua se mueva hacia las células de guarda, o bien fuera de ellas, haciendo que se expandan (turgentes) o que estén flácidas, con lo que determinan abertura y cierre respectivamente.

Existen numerosos estudios para determinar cómo se genera la presión de turgor en las células de guarda. Aún existen dudas respecto al mecanismo, dado que la intensidad de luz y concentración de CO₂ causan cambios en el turgor de la célula de guarda y en consecuencia en la abertura estomática. La antigua idea de que los cambios en turgor eran el resultado de cambios en la relación almidón-azúcar presente en la célula de guarda está siendo reemplazada por la idea de que estos cambios de turgor son causados por la ganancia o pérdida de iones, principalmente de potasio. También se ha sugerido que el cierre estomático en plantas con déficit hí­drico serí­a causado por una disminución de citocianinas y un aumento en Ácido abscí­sico.

La conversión de agua lí­quida en vapor ocurre a partir de las paredes húmedas de las células del mesófilo expuestas a los espacios intercelulares. Al acumularse vapor de agua en estos espacios, éste se mueve hacia afuera a través del estoma de acuerdo con las leyes de la difusión.

TRANSPIRACIÓN

Muchos investigadores han analizado la importancia de la transpiración en el crecimiento de la planta. Para algunos es esencial en el ascenso de la savia, absorción y translocación de minerales, enfriamiento de las hojas, control de la absorción de agua y el nivel hídrico de las plantas. Para otros es un mal inevitable a consecuencia de la arquitectura de la hoja; se produce déficit hí­drico y reducción del crecimiento y producción en caso de falta de agua en el suelo.

Las cantidades de agua perdidas por transpiración son a menudo muy grandes. En la mayorí­a de las plantas, menos del 10% del total del agua absorbida por las raí­ces es realmente utilizada en la fotosí­ntesis y en el mantenimiento de la turgencia, el resto se pierde al medio.

La transpiración procede más rápidamente durante el dí­a que durante la noche (Figura 1).

Figura 1. Patrones del movimiento de agua a través del sistema radicular de un arbusto (Pleocarphus revolutus) de acuerdo a la hipótesis del levantamiento hidráulico. Durante el día, las raíces absorben agua desde las profundidades del suelo la cual es transpirada por las hojas. Durante la noche, la transpiración es mínima y los potenciales hídricos de la planta pueden aumentar sobre los potenciales hídricos del suelo, de modo que el principal transporte de agua ocurre desde las capas más profundas del suelo a través de las raíces de la planta a las capas superficiales y secas del suelo. Este proceso nocturno es pasivo, conducido por una diferencia de potencial hídrico a favor del suelo.

Los factores externos principales que influyen sobre la velocidad de transpiración de las plantas son: luz, temperatura, humedad, velocidad del viento. Los factores del suelo influyen indirectamente al afectar la absorción de agua.

Temperaturas elevadas favorecen una transpiración más rápida por influir en la difusión y porque el aire caliente es capaz de retener más vapor de agua que el aire frí­o.

La velocidad de transpiración es proporcional a la humedad atmosférica. Así­, cuanto mas seco está el aire, tanto más rápida es la velocidad de transpiración.

La intensidad del viento aumenta la transpiración al renovar rápidamente las capas de aire en contacto con las hojas. Sin embargo, no es directamente proporcional al viento porque el cierre de los estomas empieza con frecuencia cuando el viento excede de 50 Km./h.

Otros factores de importancia en el control de la transpiración son los internos. Entre éstos figura la respuesta estomática. Muchas especies xerófitas presentan modificaciones estructurales como número reducido de estomas, estomas hundidos y presencia de pelos que ayudan a reducir la transpiración.

Para medir la transpiración de partes de una planta o de plantas aisladas existen dos tipos de métodos: los que permiten saber la cantidad de agua absorbida por la planta y los que informan acerca del agua transpirada. De hecho se realizan variados esfuerzos para medir la evapotranspiración a nivel de los cultivos.

Se puede señalar, además, que la cantidad de agua presente en el tejido vegetal en un momento determinado es el resultado, por un lado, de la absorción de agua y por otro de la transpiración. El estado de hidratación de una planta es pues un estado de equilibrio dinámico y el control del grado de hidratación está regulado por mecanismos fisiológicos. Estos mecanismos contribuyen a que la planta sea un organismo integrado, que reacciona globalmente a las modificaciones del medio exterior.

POTENCIAL HIDRICO

Las relaciones osmóticas en términos de potencial son:

Ψ = Ψπ + Ψp + Ψm

Donde:

Ψ = potencial hídrico, es una explicación de la energía del agua dentro de la célula y es de signo negativo. El potencial del agua pura es cero.

Ψπ = Potencial osmótico, indica la energía libre del agua en la célula por la presencia de solutos; es siempre de valor negativo ya que la adición de partículas de soluto disminuye la energía libre

Ψp = Potencial de Presión de turgor, indica la presión que se ejerce contra las paredes; su valor generalmente es positivo. En caso que se generen tensiones es negativo.

Ψm = Potencial mátrico, indica la reducción de la energía libre del agua por fuerzas mátricas (por ejemplo, las paredes celulares). Aunque este factor es importante en semillas y células meristemáticas, generalmente se ignora ya que lo que interesa, frecuentemente, es el gradiente entre la solución externa y la vacuola.

Se han desarrollado varios métodos para medir los componentes osmóticos una vez definidos. Básicamente se pueden agrupar en dos: métodos para medir el potencial osmótico y métodos para medir el potencial de agua en el jugo vacuolar; estos últimos parecen ser la mejor medida del déficit hí­drico en las plantas.

La absorción de agua, desde el suelo, es un proceso esencialmente pasivo y se realiza cuando se establece un gradiente de potenciales en el sistema suelo-planta-atmósfera; así­ el agua fluye desde un Potencial mayor a uno menor:

Ψ suelo > planta > Ψ atmósfera

Normalmente la solución del suelo es más diluida que la del jugo celular. La tendencia de la difusión hacia el equilibrio predomina y se produce un movimiento neto de agua desde el lugar de mayor concentración (o mayor energía libre), esto es, el suelo, hacia la célula, que es el lugar de menor concentración de agua (o menor energía libre). En forma análoga, el agua se mueve dentro de la planta de una célula a otra. Este movimiento prosigue mientras exista alguna diferencia en los niveles de energía libre del agua entre dos puntos.

Continuamente se están produciendo cambios en la concentración de substancias del jugo vacuolar, en la concentración de la solución suelo y en la permeabilidad de las membranas de la célula viva.

En los últimos 50 años han sido tres los avances más importantes en el campo de las relaciones hí­dricas:

1) reconocimiento de que el término potencial de agua describe el nivel de energí­a libre del agua en el suelo y en la planta;

2) búsqueda de métodos para medir el potencial de agua y la resistencia estomática;

3) uso del concepto de que el flujo de agua en el sistema suelo-planta-atmósfera es análogo al flujo de electricidad en un sistema conductor. (Fig.1)

Figura 1. La planta como via de paso desde el suelo (alto potencial hídrico) a la atmósfera (bajo potencial hídrico)

Bienvenida

...Hablar y estudiar fisiología vegetal implica conversar y pensar de la ciencia que estudia las funciones vitales de los organismos vivos pertenecientes al Reino Vegetal, vale decir las plantas, y los mecanismos que las rigen y regulan...

Desde el siglo XVIII se esbozan ya investigaciones de muchos temas cruciales sobre vegetales: reproducción de criptógamas, fotosíntesis, transpiración, herencia, etc., aunque en su mayoría no quedaron bien dilucidados hasta mucho después, bien entrado el s.XX. Hacia mediados de siglo, el fisiólogo J.E. Guettard inició (en francia) el estudio de la transpiración, el holandés J. Ingenhousz demostró el fenómeno de la fotosíntesis, y J.G. Koelreuter corroboró la naturaleza de la sexualidad vegetal y demostró el papel de los insectos en la fecundación vegetal.

Durante el s.XIX es el desarrollo y perfeccionamiento de nuevas técnicas que permitieron profundizar más en los fenómenos ya conocidos y estudiar nuevos procesos (como la fotosíntesis, la osmosis, los ciclos biológicos de algunas criptógamas, los abonos, el transporte de solutos, el crecimiento, la fijación del nitrógeno, etc.). El ginebrino N.T. de Saussure contribuyo notablemente a ampliar los conocimientos de su época en relación con la nutrición vegetal. Fue el primero en establecer claramente la dependencia en que se hallan las plantas respecto de las soluciones minerales absorbidas por las raíces. Otro investigador de gran talla fue el checo J. Sachs, que puede ser considerado el primer fisiólogo moderno. Discipulo de J.E. Purkinje, Sachs trabajó en múltiples campos de la fisiología vegetal, y en todos ellos obtuvo grandes éxitos. Estudió el crecimiento de los organos vegetales e ideó el método, todavía utilizado, de las soluciones nutritivas. El descubrimiento de la diversidad del metabolismo de las bacterias y en particular de la fijación del nitrógeno deben mucho a los estudios del microbiólogo frances de origen ruso S.N.Vinogradskij , quién consiguió aislar del suelo bacterias capaces de reducir el nitrógeno atmosférico y utilizarlo.

Pero con el s.XX empieza un nuevo periodo para la fisiología vegetal. Se estudian fenómenos comunes, como la fotoperiocidad (cuya naturaleza había pasado, sin embargo, inadvertida), asi como la expresión de caracteres fisiológicos hereditarios, se aíslan sustancias reguladoras del crecimiento, etc. Aun que quizá por encima de otros descubrimientos cabe destacar la elucidación, a lo largo de numerosos años de investigación, de los principales procesos moleculares de la nutrición autótrofa.

...Y así la investigación y el avance de las bases de la fisiología vegetal continuan hasta el día de hoy, en que siguen floreciendo nuevos estudios y descubrimientos cientificos asociadas a las plantas y su comportamiento, como tambien incertidumbres y dudas respecto a como es que ellas reaccionan frente a determinadas circunstancias...

De esta manera, este blog tiene como objetivo fundamental acercar al estudiante a este maravilloso mundo de las plantas, de sus procesos, formas y descubrimientos, a traves de una serie de apuntes que serán publicados periodicamente.

Sean todos BIENVENIDOS entonces al estudio de mecanismo de respuestas de las plantas al medio durante su crecimiento y desarrollo.