Fisiologa Vegetal

125

Parte III: NUTRICIN Y TRANSPORTE

Las plantas son capaces de tomar el carbono atmosfrico para formar

hidratos de carbono. Sin embargo tienen otros requerimientos como el de

agua, elemento que es fundamental, incluso para la fotosntesis, u otros

elementos minerales muy variados.

Todas estas sustancias deben ser captadas del sustrato a travs de la

raz, y transportadas hasta los rganos fotosintticos. Existe un transporte a

corta distancia, que puede tener lugar entre clulas cercanas a travs de

plasmodesmos, o a travs de la pared celular. Existe tambin un transporte a

larga distancia, entre rganos distintos. El que se produce a travs del xilema

facilita la llegada del agua y los nutrientes minerales desde el sustrato a las

hojas. El transporte floemtico permite el suministro de materia orgnica de

vuelta hacia los rganos sin capacidad de fotosntesis.

El balance de agua es fundamental, no solo para realizar la fotosntesis y

aportar un disolvente para el metabolismo, sino que tambin lo es para el

soporte fsico de las plantas. Si el gradiente de humedad desde el suelo hasta

la atmsfera (en su recorrido raz-estoma en la planta) no es suficientemente

acusado, las clulas se deshinchan y pierden su presin de turgor, y entonces

los rganos marchitan, y la planta no puede sostenerse en pie.

I/ El Suelo y la Nutricin Mineral:

1.- Composicin Qumica del Suelo:

Las plantas superiores tienen determinados requisitos que deben ser

cubiertos por los aportes edficos. Existen determinados macronutrientes,

como N, S, P o K, y mltiples oligoelementos, que las plantas deben tomar del

suelo para que pueda producirse su desarrollo.

Fisiologa Vegetal

126

Los criterios de esencialidad determinan el grado en que la

concentracin de un micronutriente o macronutriente en el suelo es esencial

para el desarrollo de una especie. Una planta no puede permitirse cerrar su

ciclo biolgico por ausencia de un elemento. Cada elemento concreto puede

ser requerido para un proceso concreto, y es esencial cuando no puede ser

sustitudo en ese proceso por otro.

La toma de elementos de las races no es selectiva, y no existe criva. La

raz toma incluso los elementos txicos, por lo que la presencia de los

elementos en el tejido vegetal pueden reflejar su presencia en el suelo. Para

analizar la esencialidad de los nutrientes en laboratorio se preparan suelo

completos, pero carentes de un nico nutriente.

Los macronutrientes son los que son tomados en mayores proporciones,

pero tambin destacan por su elevada esencialidad. Por ejemplo el nitrgeno

est presente en todas las protenas y pptidos, y no puede ser reemplazado

por ninguna otra sustancia.

El nitrgeno es tal vez el macronutriente fundamental, y es limitante para

el desarrollo y crecimiento vegetal. En ecologa, para valorar la capacidad

limite de carga de desarrollo de la vegetacin en un sistema, debido a los ciclos

biogeoqumicos, se utiliza el cociente CORG/NTOTAL en el sistema. La asimilacin

Fisiologa Vegetal

127

de nitratos y nitritos, y la fijacin de nitrgeno en las clulas fotosintticas ha

sido visto en la parte anterior.

Las leguminosas y algunos rboles como los alisos forman ndulos en

sus races por simbiosis con bacterias capaces de fijar el nitrgeno

atmosfrico (N2). Estas plantas son capaces de colonizar suelos pobres en

nitrgeno. Adems cuando dominan en un sistema enriquecen notablemente el

suelo en este elemento y favorecen el desarrollo de plantas nitrfilas.

El azufre, al igual que el nitrgeno, es un elemento escaso y fundamental

para las plantas. Se encuentra en aminocidos protenas y molculas de valor

estructural. Tambin est presente en algunos enzimas reductores como

tiorreductasa.

El potasio se encuentra en la planta en forma de catin. No suele ser

asimilado en los hidrocarburos. Juega un importante papel en la osmsis y

homeostasia de las plantas. El potasio representa alrededor del 50% de las

cenizas de las plantas.

Los requerimientos varan dependiendo de las especies, y sus

adaptaciones a los distintos tipos de suelo. El silicio, o el sodio (en halfitas)

son beneficiosos, y pueden incluso cubrir en algunas funciones secundarias a

los elementos esenciales.

Fisiologa Vegetal

128

2.- Estudios de Esencialidad:

En los estudios de esencialidad se controla la concentracin de un

nutriente en un suelo completo respecto a los otros elementos requeridos por

la planta. Se valora la tasa de produccin o el crecimiento de las plantas a

distintas concentraciones del mismo elemento. As se puede determinar el

rango de concentraciones a las que ese nutriente es esencial en los tejidos; se

trata del intervalo de suficiencia. Por encima de este se encuentra el intervalo

de toxicidad, y por debajo el intervalo de deficiencia.

Realizando curvas de produccin vegetal en funcin de las

concentraciones de distintos nutrientes, la pendiente de la respuesta del

vegetal elevada indica que se trata de un micronutriente. La toxicidad del

micronutriente se inicia a bajas concentraciones. Sin embargo la pendiente de

la respuesta vegetal moderada, como la del fsforo o la del nitrgeno, indica

que estos elementos son macronutrientes.

Los estudios de esencialidad se realizan con medios completos, y suelen

realizarse mediante cultivo hidropnico, lo que permite el control de la

concentracin de los elementos qumicos disueltos. Para ello se suelen utilizar

soluciones preparadas como las de Hoagland y Arnon o de Sachs.

Fisiologa Vegetal

129

Fisiologa Vegetal

130

3.- Estructura, Agua e Iones del Suelo:

La meteorizacin de la roca madre y la formacin del suelo viene

facilitada por la accin de la meteorologa y de los seres vivos. Las partculas

del suelo pueden retener agua por capilaridad, o aire si no llueve; su capacidad

de campo (mxima cantidad de agua que puede retener el suelo por

capilaridad) depende del tamao de los poros entre partculas del suelo. Los

complejos arcillo-hmicos estn formados por partculas de pequeo tamao y

necromasa en descomposicin, que forma el humus.

La arena se forma por partculas de 2-0,02mm. La arcilla se forma por

partculas de dimetros inferiores a 0,002mm. Las partculas de dimetro

intermedio forman el limo. Al disminuir el tamao de las partculas aumenta la

relacin superficie/peso disponible para retener cationes, y tambin disminuye

el tamao de los poros aumentando la capilaridad.

La roca madre aporta materia mineral al suelo, mientras que la

necromasa y el humus aportan materia orgnica. La materia del suelo tiende a

tener mayormente carga negativa. Los pelos radiculares se extienden entre los

intersticios del suelo para absorber mayor cantidad de agua y nutrientes. Se

trata de prolongaciones de una clula epidrmica de la raz que incrementa de

forma destacable la superficie de intercambio con el medio externo.

El suelo puede retener tres tipos de agua. El agua de saturacin o agua

gravitacional es el agua en exceso, que supera la capacidad de campo del

suelo. El agua capilar es el agua que el suelo puede retener por fuerzas

capilares, y puede ser absorbida por las plantas. La mojabilidad de los poros

capilares depende de su dimetro y su carga. Cuando el suelo se encuentra en

su capacidad de campo, contiene el mximo nivel de agua posible por

capilaridad. Cuando se retiene determinada cantidad de agua capilar pero

aparece aire, las races facilitan la respiracin. Un suelo sin espacios areos

puede ser letal para muchas plantas. El agua molecular est fuertemente unida

a las partculas del suelo, y no puede ser absorbida por la vegetacin. Se trata

de suelos en condiciones de aridez.

Fisiologa Vegetal

131

Dada la carga negativa de las paredes de las partculas del suelo, estas

tienden a retener a los cationes. Los aniones, sin embargo, son repelidos del

suelo y drenan con el agua gravitacional. Esto supone un problema para la

captacin de los aniones necesarios para las plantas, como el fsforo o el

cloro.

La capacidad intercambiadora de cationes del suelo depende del

dimetro de las partculas y su relacin superficie/peso. Las series liotrpicas

de los iones del suelo reflejan la afinidad de las partculas del suelo cargadas

negativamente por los cationes, y define la fuerza del enlace que forman. La

mayor afinidad se produce por el aluminio y el hidrgeno. Los cationes por los

que existe mayor afinidad pueden desplazar a los de menor afinidad. Por ello

los suelo no litorales son pobres en sodio.

La respiracin de la raz permite su crecimiento en busca de agua y

nutrientes. Durante la respiracin el CO2 liberado se diluye en el agua y se

produce acidificacin del agua (HCO3- + H+). Los protones producidos por la

respiracin, por su elevada afinidad, pueden desplazar a otros cationes

producindose acidificacin del suelo. Esto facilita la liberacin continua de

otros nutrientes a la solucin de agua capilar en pequeas cantidades. Esta

cantidad es suficiente para cubrir las necesidades de micronutrientes de la

planta, no as de macronutrientes (salvo en suelos muy enriquecidos).

El calcio se encuentra en elevadas concentraciones en la pared celular,

asociado a pectinas, y en orgnulos, pero no en el citosol. Algunas poaceas

como trigo o maz tienen poca pared celular primaria y poco calcio.

Fisiologa Vegetal

132

4.- Deficiencias Nutricionales:

Las deficiencias nutricionales se producen cuando los nutrientes no se

encuentran en suficiente concentracin. Las plantas han desarrollado

adaptaciones especiales para evitar las deficiencias. As, por ejemplo, el

reciclaje tiene lugar cuando las hojas llegan a su punto de marchitez, antes de

la abscisin. La planta reabsorbe los nutrientes mviles fundamentales y el

agua de los tejidos de la hoja.Las deficiencias nutricionales vienen

acompaadas por distintos sntomas visibles en los tejidos, as como necrosis,

clorosis o deformaciones en los rganos. Ante excesos de algn nutriente, por

otro lado, las plantas presentan los sntomas de toxicidad. Las deficiencias ms

graves estn relacionadas con los macronutrientes.

HOJAS DE FRESA

Fisiologa Vegetal

133

Las simbiosis con hongos fijadores de nitrgeno es una adaptacin para

evitar las carencias de nitrgeno en el suelo, y permite el desarrollo de las

plantas gracias al N2 atmosfrico fijado por las bacterias y hongos.

Las micorrizas son hongos capaces de vivir en simbiosis en las races de

algunas plantas, facilitando la fijacin del nitrgeno atmosfrico. Las

ectomicorrizas forman una vaina que recubre la raz y puede penetras en la

pared celular. Es frecuente en rboles. Las endomicorrizas, ms abundantes,

penetran en la pared celular y en las clulas vegetales, por invaginacin (sin

romper la membrana. Pueden formar arbustos vesiculares muy ramificados.

Los haustorios es el nobre de las hifas formadas por estos hongos, que se

benefician de la simbiosis tanto como la planta.

Ectomicorrizas Endomicorrizas

Los nutrientes en el suelo estn disponibles en determinados rangos de

pH. Por ejemplo a pH neutro el fsforo es inmovilizado en el suelo, pero a pH

cido se encuentra disponible para la vegetacin. Algunas plantas pueden

tener adaptaciones especiales a suelos alcalinos o bsicos, donde la

disponibilidad de algunos macronutrientes es muy limitada. Estas forman

races proteoides en ausencia de fosfato, muy ramificadas, y que secretan

cidos y acidifican el suelo. Los cidos provienen del ciclo de krebs e implican

una inversin de ATP por la planta.

Control Carencia de P

Fisiologa Vegetal

134

Fisiologa Vegetal

135

II/ Transporte de Nutrientes y Agua:

Las paredes celulares vegetales representan una va de difusin pasiva

de las sustancias del suelo. En tejidos areos suele estar impermeabilizada

para evitar la desecacin en ambiente terrestre, no as en races. La pared

celular conecta toda la planta, desde la base hasta el pice, por una va

uniforme y contnua que redibe el nombre de apoplasto.

En los pelos radiculares emitidos por las clulas de la raz, la pared

celular es la parte ms externa y est expuesta a la solucin edfica acuosa.

Estos pelos pueden introducirse entre las partculas del suelo absorbiendo

indiscriminadamente el agua, los nutrientes, y los elementos txicos. Estos

pueden ser transportados a toda la planta, pero este tipo de transporte es muy

lento.Las molculas solubles del metabolismo central tambin pueden difundir

por todo el apoplasto.

El simplasto es el conjunto de citoplasmas de las clulas de las plantas.

Las clulas estn unidas por plasmodesmos, que son conexiones

intercitoplasmticas que atraviesan la pared celular. Estos plasmodesmos son

poros que conectan los citoplasmas de todas las clulas de la planta formando

la va simplstica. El movimiento simplstico est condicionado por la cantidad

de plasmodesmos presentes en lor tejidos.

El paso de la va apoplstica a la va simplstica implica atravesar la

membrana celular. La va transmembrana es la mayor barrera que encuentran

las molculas hidroflicas, especialmente las cargadas, en su transporte en las

plantas.

A/ Transporte a travs de las Membranas: 1.- Movimiento de Solutos a Travs de la Membrana:

Los iones y molculas solubles en el agua se encuentran en distintas

concentraciones en el interior y el exterior celular. Esta diferencia es la

causante de un potencial elctrico de membrana EM que puede medirse con

ayuda de microelectrodos. El interior celular es negativo respecto del exterior.

Fisiologa Vegetal

136

El potencial elctrico de la membrana corresponde a la diferencia de

potencial entre los medios interno y externo en equilibrio.

=

Es generada por unas bombas que facilitan el transporte activo de iones

a travs de la membrana y en contra de su gradiente electroqumico; las

ATPasas de hidrogeniones del plasmalema. Tambien participan otras bombas

como las bombas de calcio. La ATPasa de hidrobeniones bombea protones

hacia el medio externo eliminndolos del citosol, a expensas de la energa de

ATP.

El componente pasivo del transporte de solutos a travs de membranas

corresponde a la difusin sin gasto de energa, que debe producirse a favor del

gradiente electroqumico del in (i), es decir, desde el medio energticamente

superior al inferior. El transporte pasivo de cationes a travs de las membranas

es ms fludo que el de aniones, ya que estos son ms escasos en el sustrato y

deben ser conservados por la planta. Destaca el potasio, para el cual la

membrana presenta muy elevada permeabilidad. Los fertilizantes suelen incluir

aniones esenciales y potasio, por su funcin osmtica.

El potencial de membrana depende de los procesos de transporte

activos y pasivos.

El cianuro es un inhibidor del metabolismo (produce H+) y por lo tanto del

transporte activo de solutos a travs de la membrana. En laboratorio los

experimentos con cianuro (CN-) ponen de manifiesto la magnitud con que

ambos componentes del transporte afectan al potencial de membrana;

Fisiologa Vegetal

137

Cuando el componente electrognico ya ha sido totalmente inhibido por

cianuro, el potencial de membrana se mantiene constante.En las clulas

maduras el componente pasivo es cada vez ms importante, al contrario que en

las jvenes. Al envejecer los tejidos tienen un potencial de membrana m

prximo a 0.

Los excesos de cargas negativas en el interior celular (i) afectan al

tranporte pasivo. Se debe a los flujos que se establecen debido a los gradientes

de potencial electroqumico de cada in, desde donde el potencial es mayor

hacia donde es menor. Para un in j (i: inteno, 0;externo)

() = +. . ln + .().

(0) = +. . ln 0 + .(0).

En equilibrio () = (0) y no existe flujo neto del in. El potencial de

Nerst (ENj) es el gradiente de potencial para el in j en condiciones de

equilibrio. Se obtiene a partir de los anteriores modelos. EM y ENj representan la

fuerza elctrica del gradiente de potencial electroqumico en equilibrio.

= () (0)

.. ( 0 ) = .. ln 0

=.

.

1

. ln

0

El potencial de Nerst de un in depende por lo tanto de la fuerza qumica

y de la fuerza elctrica. Para un catin la fuerza elctrica siempre se dirige

desde el exterior de la membrana al interior cargado negativamente. Para los

Fisiologa Vegetal

138

aniones sucede lo contrario, y tienden a salir de las clulas por el efecto de la

fuerza elctrica.

En el equilibrio ENj siempre es igual a EM (medible con microelectrodos),

y se puede calcular as la actividad interna a partir de la externa. Este equilibrio

es al que se tiende por todo tipo de flujos pasivos. El transporte activo gasta

energa para oponerse al flujo de equilibrio.

En el equilibrio la fuerza elctrica sigue favoreciendo la entrada de

cationes y salida de aniones de la clula. La carencia de aniones en el suelo

representa un problema, y la fuerza elctrica de gradiente de potencial de

membrana se opone a su entrada, complicndolo an ms.

Procesos pasivos (flechas punteadas) y activos (flechas slidas)

El potasio es necesario en elevadas concentraciones. Puede ser tomado

activamente pero la clula puede adquirir todo el necesario por difusin. El

sodio tambin puede ser tomado por difusin, pero su eliminacin requiere de

transporte activo.

El transporte activo de expulsin de cationes e introduccin de aniones

altera la situacin hipottica de equilibrio pasivo, en el que () = (0) .

Sucede para cada tipo de in en el sentido contrario que el propio transporte

Fisiologa Vegetal

139

pasivo. El transporte activo requiere energa de ATP. En este caso , y

el gradiente de potencial de membrana puede medirse como:

0 = .. ( )

Con esta ecuacin podemos calcular la energa necesaria para movilizar

un mol del in en julios (J.mol-1) por transporte activo. Por ejemplo los protones

generados por el metabolismo en la clula son exportados por las bombas

ATPasas de hidrogeniones hacia la matriz extracelular o pared celular o las

vacuolas. Las bombas ATPasas de calcio deben exportar este catin o

introducirlo en las vacuolas despus de su expulsin ante mensajes

hormonales; se trata de un importante segundo mensajero. Estas bombas se

encuentran tanto en el tonoplasto (vacuola) como en el plasmalema (membrana

celular).

En la mayor parte de los casos, sin embargo, el transporte activo no es

facilitado por las bombas ATPasas, sino que se aprovecha la energa del

transporte pasivo de unas molculas para el transporte activo de otras. Las

protenas de membrana que facilitan estos procesos son los transportadores;

cotransportadores (en el mismo sentido) o simportadores (en sentidos

opuestos). Bombas y transportadores trabajan a una velocidad muy inferior a

los canales, pero las bombas ATPasas son mucho ms abundantes que estos,

no tanto los transportadores o carriers.

La relacin entre permeabilidad de la membrana para una molcula y

coeficiente de particin en una membrana aceite-agua da la hidrofilia y lipofilia

de las molculas. Existe de hecho relacin entre la lipofilia y la permeabilidad

de la membrana para una molcula dada. El agua es una excepcin pues

Fisiologa Vegetal

140

atraviesa la membrana con dos rdenes de magnitud por encima de lo que le

corresponde. Se debe a la formacin de puentes de hidrgeno entre las

molculas de agua, y a la presencia de canales para el agua, las acuoporinas.

Los canales facilitan la difusin pasiva a favor del gradiente de potencial

electroqumico del in. Tiene capacidad para abrirse en momentos clave, y

permanecer generalemente cerrado impidiendo el flujo.

2.- Funcionamiento de los Transportadores:

Las bombas de hidrogeniones se encuentran en el plasmalema y el

tonoplasto, y exportan protones del citosol. Son bombas ATPasas del

plasmalema son del tipo P y utilizan fosfato durante su catlisis. Estn

reguladas por fosforilacin en un residuo Ser. Ser-OH se pliega cerrando el

poro de la bomba e inhibiendo as su actividad. Al rer fosforilado forma Ser-O-P

y se activa la bomba. La fusicocina es una toxina fngica que puede sustitur a

la fosforilacin en la activacin de la bomba una vez unida a la protena 14-3-3.

Las bombas del tonoplasto, sin embargo, son del tipo V.

Las bombas ATPasas de calcio se encuentran en el plasmalema, en el

tonoplasto (donde utilizan calmodulina), en el retculo endoplsmico y en la

membrana interna del cloroplasto. En el tonoplasto tambin existen

antiportadores que introduce calcio a la vacuola sacando protones de la

misma. Los canales de calcio tambin se encuentran en todas estas

Fisiologa Vegetal

141

membranas, pero est generalemente inactivos. La activacin de los canales

est relacionada con la accin del calcio como segundo mensajero. Existen

mltiples canales y protenas de la clula muy sensibles a los cambios en las

concentraciones de calcio.

En el tonoplasto tambin existen bombas de hidrogeniones, adems de

antiportadores de protones/calcio. En ausencia de ATP la bomba no funciona,

por lo que no es posible introducir el calcio; su entrada depende de los

transportadores, que deben utilizar protones del interior de la vacuola. FCCP

es un protonforo que facilita la salida de los protones de la vacuola, anulando

la toma de calcio y la accin de ATP. El ionforo facilita la salida directa del

calcio.

El funcionamiento de los carriers sigue una cintica de Michaelis-Mentel,

y ante concentraciones muy elevadas de sustrato a transportar se saturan, y

alcanzan una velocidad mxima de transporte. Sucede lo mismo para las

bombas y canales, pero no para la difusin pasiva. La velocidad mxima de los

carriers (1000 molculas.s-1) es superior a la de las bombas(100 molculas.s-1),

pero muy inferior a la de los canales(108 molculas.s-1).

Fisiologa Vegetal

142

Si se aade experimentalmente sacarosa en el medio externo de las

clulas, se puede observar una despolarizacin y un cambio en el EM. La

sacarosa es introducida a las clulas por cotransporte con protones. La

sacarosa no presenta potencial elctrico por lo que la entrada de los iones

causa la despolarizacin. Los protones anulan el equilibrio transmembrana

pues anulan a las cargas del interior, aportando la energa necesaria para la

entrada del azcar.

La sacarosa introducida causa acidificacin del citoplasma y esto activa

a las bombas de hidrogeniones del plasmalema, ya que su pH ptimo para el

funcionamiento es 6,5-6,8, por debajo del pH normal del citosol. Este carrier es

muy abundante en clulas que deben tomar sacarosa, as como las clulas

acompaantes del floema a nivel foliar.

3.- Transporte de Sulfatos:

Los sulfatos son macronutrientes esenciales para todos los vegetales, y

deben ser captados del sustrato por la raz. Necesitan sistemas de transporte

activo que aseguren sus niveles mnimos necesarios en clulas. Al tratarse de

aniones son difciles de tomar en el suelo, y no tienen lugar en la escala

liotrpica.

Al introducir experimentalmente clulas vegetales en un medio rico en

sulfatos, se observa una despolarizacin similar a la que se produce con la

sacarosa. Esto se explica por la presencia de cotransportadores que

introducen un SO42- junto con tres protones. Esto provoca la acidificacin del

lmen, y la despolarizacin de la membrana de la clula. La rpida accin de

las bombas ATPasas de protones deben exportar estos iones a expensas de

ATP. El trabajo de estas bombas activadas por pH restaura de nuevo el

gradiente de potencial de membrana EM y el electroqumico corresponciente al

hidrogenin.

A diferencia del nitrato, la absorcin de sulfatos no tiene dos cinticas

de absorcin que se saturen a distintos rangos de concentracin. Deben existir

mltiples transportadores con afinidad y nivel de saturacin distintos,

Fisiologa Vegetal

143

adaptados a distintos rangos de concentracin pero de forma gradual (no en

dos pasos).

4.- Transporte de Nitratos:

Los nitratos, como los sulfatos, son aniones muy difciles de tomar, pero

son a la vez macronutrientes esenciales para las plantas. Son tomados en el

suelo y transportados como tal hasta las hojas, donde sern reducidos a

amonio y posteriormente fijados en glutamato. Se observan dos rangos de

concentracin distintos a los que este nutriente es absorbido; el rango M por

transportadores de alta afinidad y el mM por transportadores de baja afinidad.

Las clulas vegetales muestran ligeras despolarizaciones en respuesta

a la presencia de nitratos en el medio. Estas de nuevo estn relacionadas con

el transporte del anin NO3-. Para clulas en reposo el potencial elctrico es

normalmente de -240 mV. Al aadir un medio con [NO3-] = 250M el potencial

de membrana pasa a -206 mV. Ante [NO3-] = 10mM el potencial alcanza los -118

mV. Se corresponde a un cotransporte con protones, acompaado por

Fisiologa Vegetal

144

actividad de las bombas de hidrogeniones. El carrier para nitratos no est

siempre presente en las clulas, su sntesis debe ser inducida por la presencia

del in en el medio.

El transporte de fosfatos tambin implica a carriers y transportadores,

pero su regulacin es contraria. La sntesis y actividad de los carriers de Pi es

mayor cuando la concentracin del fosfato es menor y el requerimiento

aumenta. Cuando aadimos mucho Pi no se observa despolarizacin, pero si si

aadimos bajas concentraciones.

La energa correspondiente a despolarizacin es equiparable a la

necesaria para introducir activamente el anin en el interior celular, aunque su

potencial electroqumico sea muy bajo. Dada la esencialidad de este nutriente

mineral, es conveniente el gasto energtico para acumularlo.

30 < 0 +

0 > 0 ([NO3-] es superior en el interior, no as [H+])

Estos clculos, como vimos anteriormente, pueden ser utilizados para

conocer la cantidad de energa en julios que la clula ha debido emplear para

captar un mol de este anin:

+0 . + 3

0 .3 (en J.mol-1)

Fisiologa Vegetal

145

5.- Canales de Potasio:

El potasio cumple las funciones osmticas en las clulas, y es requerido

en muy altas concentraciones. Este catin representa el 50% de las cenizas de

las plantas. Debe ser tomado activamente por las races y las clulas. Su

captacin tambin tiene lugar a dos rangos de concentracin; M (mecanismo I

de alta afinidad) y mM (mecanismo II de baja afinidad).

Los transportadores de alta afinidad son carriers que cotransportan el

potasio con protones hacia el interior celular. Los protones son extrados por

bombas. Estos transportadores pueden funcionar a concentraciones externas

de potasio muy bajas a las que la fuerza qumica se opone a su entrada. A

elevadas concentradiones externas se activan los mecanismos de transporte

de baja afinidad; se trata de canales que facilitan el paso del catin a favor de

gradiente de potencial electroqumico.

Para el estudio de los canales se pueden utilizar tcnicas sencillas como

el patch clamp o pinzamiento de un fragmento de membrana de 1 m. Para ello

se utiliza una micropipeta especial (patch pipette), cuyo pice queda sellado a

la membrana por una unin muy fuerte. En clulas vegetales esta tcnica

implica digerir la pared celular vegetal.

El fragmento de membrana sellado a la micropipeta debe romperse y

separarse de la clula. Por tirn se obtiene un patch inside-out, es decir, con la

regin interna de la membrana hacia el exterior de la pipeta. Por succin o

pulso de alto voltaje puede obtenerse un patch outside-out. Gracias a un

Fisiologa Vegetal

146

gradiente de potencial electroqumico obtenido experimentalemente entre los

medios internos de la micropipeta, y el medio externo de la clula, de

picoamperios (pA). Esta simula la diferencia de potencial propia de la

membrana. El flujo de iones que se da en la membrana sellada en la pipeta

corresponde al transporte de iones a favor de gradiente electroqumico,

facilitada mayormente por los canales.

Modificando la diferencia de potencial generada con la micropipeta en el

laboratorio permite modificar las fuerzas qumicas y elctricas valorando sus

efectos independientemente. El cloro y el potasio se mueven en la membrana a

favor del gradiente de potencial hasta que alcanzan el equilibrio, y su potencial

de nerst iguala al potencial de membrana.

Cuando las concentraciones de KCl se igualan en los medios internos y

externos, slo interviene el potencial elctrico. Se produce el potencial de

reversin y hay movimiento neto de iones hasta que se alcanza un equilibrio. Se

puede aplicar una fuerza elctrica externa (no inica) para analizar su efecto.

Aplicando distintos pulsos se pueden obtener salida de potasio o entrada de

potasio. En este caso las concentraciones de K+ fueron de 115 mM en el interior

de la micropipeta y 11 mM en el exterior.

En el potencial de reversin hay equilibrio. Las corrientes inducidas

superpuestas al movimiento de iones puede modificarse. Las entradas o

salidas de cargas positivas o negativas provocan desviaciones de la corriente

inducida. Este comportamiento irregular se explica por los procesos de

apertura y cierre de los canales de membrana. Las desviaciones hacia arriba

corresponden a salida de cationes (+) (aqu potasio) o entrada de aniones (-), y

viceversa.

El potencial de reversin es aquel para el cual el potencial de membrana

es de 0 mV. Los potenciales tericos (a igual concentracin) son:

+ = 59,2

= +59,2

Fisiologa Vegetal

147

Pueden tambin realizarse mediciones con diferencias de potencial

desde -100 mV hasta +100 mV, y realizar una grfica para la determinacin de

la selectividad inica mediante tcnica de patch outside-out. Se utilizan para la

medicin del potencial de reversin, en equilibrio de Nerst (I = 0 pA).

En condiciones simtricas, es decir con las mismas concentraciones de

ambos iones, se obtienen potenciales de reversin para EK = ECl, y EM = 0 mV.

En condiciones no simtricas (iones en distintas concentraciones) se obtienen

potenciales de reversin para potenciales elctricos de membrana distintos de

0 mV. En condiciones naturales el potencial de membrana es electronegativo

en el interior.

Cuando el potencial de nerst del potasio (+ = 59,2 ) iguala al

potencial de reversin, no hay movimiento de iones y la intensidad es de 0 pA.

Al aplicar un potencial negativo de -100 mV se desplaza el equilibrio, y hay

entrada de potasio, y desviacin de la intensidad de la corriente hacia abajo.

Cuando la fuerza elctrica inducida es igual al potencial de reversin la

intensidad es de 0 pA y hay equilibrio. Si se aplica un potencial positivo de 100

mV hay salida de potasio al exterior y desviacin del potencial hacia arriba.

El canal de potasio in de baja afinidad es dependiente de voltaje. Se

activa para potenciales elctricos de hiperpolarizacin inferiores a -100 mV.

Por ello su comportamiento es el de introducir este in a la clula para estos

potenciales. Ante escasez de carga negativa en el interior (-10 mV) se activan

los canales de potasio out que exportan al catin. El in Ba2+ es un inhibidor de

su actividad. Son canales rectificadores del potencial elctrico de membrana,

dependientes de voltaje y regulados por calcio.

Fisiologa Vegetal

148

Los canales de potasio ms estudiados son los de las races, que deben

realizar la toma del sustrato, y de las clulas de guarda del estoma, que regulan

el cierre y la apertura del ostiolo por su potencial hdrica, regulado por

hormonas (ABA), a travs del potasio de papel osmorregulador. Tambin

existen canales en el tonoplasto que expulsan el potasio de las vacuolas. En la

membrana externa existen canales tanto para la exportacin como para la

importacin de potasio. Todos estos canales son voltaje-dependientes.

El potasio acta como agente osmtico turgente para las clulas

vegetales. Los canales de las vaculas FV y VK tienen la funcin de regular los

Fisiologa Vegetal

149

niveles de potasio del interior celular, pudiendo controlar la turgencia de las

clulas. La turgencia es constante en muchas clulas, salvo en caso de estrs,

pero es variable en algunas clulas como las clulas de guarda, donde el papel

del potasio es muy importante. A diferencia de los canales de plasmalema, los

del tonoplasto no son dependientes de voltaje, sino que dependen de las

concentraciones de calcio y del pH. El calcio puede modificar el potencial de

membrana activando tambin a los canales del plasmalema.

6.- Canales de Calcio:

El calcio debe encontrarse en bajas concentraciones internas, y en

condiciones normales es bombeado y cotransportado con protones hacia los

orgnulos y el exterior celular. Los canales inicos de calcio suelen estar

cerrados y abrirse en respuesta a seales hormonales, desarrollando el papel

intracelular de segundo mensajero. El calcio tiende a entrar al citosol, y este

flujo es fuertemente favorecido tanto por la fuerza qumica como por la

elctrica. La despolarizacin provocada es rpidamente recuperada por la

activacin de los canales de salida de potasio (out).

Los canales de calcio pueden abrirse en respuesta a elicitores como

respuesta a patgenos, luz azul y roja, concentracin de otros nutrientes, como

el potasio, el ABA ante condiciones de estrs, o la succin. Algunos de los que

se encuentran en el plasmalema son dependientes de voltaje, activados por

despolarizacin o Ca-calmodulina (amplificacin de la seal).

Fisiologa Vegetal

150

La mayora de canales de calcio del tonoplasto son activados por

metabolitos, y todos facilitan la salida de calcio de la vacuola. La salida del

calcio del citosol depende siempre de bombas y carriers. Pueden ser activados

por ejemplo por el IP3 que junto con DAG es el producto de PIP2 durante la

transduccin de muchas seales hormonales.

Existe un mecanismo de retroalimentacin negativa de los canales de

calcio activados por Ca-calmodulina. La fosfatasa 2B es tambin activada por

el calcio del citosol, e inhibe la actividad de este canal.

7.- Canales Aninicos:

Los canales aninicos del plasmalema son slo de salida, y se

encuentran generalmente cerrados. El transporte de aniones al citosol

requiere generalmente la actividad de carriers, ya que su acumulacin es

costosa y se produce en contra del gradiente de potencial. Pueden transportar

por ejemplo cloro o malato.

Los canales aninicos de salida pueden ser de tipo R (activacin rpida)

o de tipo S (activacin lenta). Suelen ser activados por fosforilacin y en

presencia de calcio.

Cuando la despolarizacin causada por calcio ante determinadas

seales es insuficiente, puede facilitarse la apertura de los canales de aniones

de tipo R y tipo S amplificndose la despolarizacin (especialmente de tipo R).

Colaboran por ejemplo en la prdida de turgencia de las clulas oclusivas

durante el cierre del estoma.

Fisiologa Vegetal

151

En el tonoplasto de clulas de metabolismo CAM existen canales que

permiten la entrada de in divalente malato2- al interior de la vacuola donde el

pH es muy cido y el malato puede protonarse. Esto permite el establecimiento

de un gradiente de potencial que favorece la entrada contnua del malato2- (ya

que malato-H2 no influye).

Algunos canales aninicos activados por despolarizacin (por ejemplo,

entrada de calcio) son contrarrestados por los canales rectificadores de

hiperpolarizacin por potasio.

8.- El Transporte de Agua y el Potencial Hdrico:

El potencial electroqumico para una sustancia en solucin se ha

definido anteriormente como;

= +. . ln + . .

Esto refleja la cantidad de energa libre contenida por un mol de la

especie j en un sistema, o energa asociada a un mol de j. Para P, T, E, h y

concentracin de otros solutos (nx) constantes:

=

La presin hidrosttica (P) en exceso sobre la presin atmosfrica es

muy importante para las propiedades mecnicas de las clulas con pared

celular. El volumen molal parcial del agua (Vw = 18.10-6 m3.mol-1), es el volumen

que ocupa un mol de agua. Este es superior al volumen delimitado por la pared

celular, y genera el fenmeno de turgencia gracias a ajustes osmticos

relacionados con el potasio. La presin desarrollada por metro cbico de agua

contenido influye sobre el potencial o la energa libre de una sustancia. Por

ejemplo a una Patm = 0,1.10-6 Pa, una especie j de Vj = 30.10-6 m3.mol-1, la especie

j va a desarrollar una presin de 3 Pa.m-3, es decir, 3 J.mol-1.

Tambin influye la energa potencial gravitacional, en funcin de la

altitud y la masa de la sustancia. As se obtiene para el agua:

= +. . ln + .. + . + . .

En el caso anterior de la especie j, para que el trmino elctrico sea de 3

J.mol-1, E = 0,031 mV, y por lo tanto . es despreciable. No sucede lo mismo

para el agua, donde el vector despreciable pasa a ser el elctrico.

= +. . ln + . + . .

Al aadir sales en un vaso de agua el agua pierde energa que es ganada

por las sales al disolverse y adoptar una forma inica. El volumen de la clula

es fijo, y viene delimitado por la rigidez de la pared celular. Al entrar agua por

ajustes ormticos la clula se hincha, y se crea una sobrepresin sobre la

Fisiologa Vegetal

152

pared; la presin de turgor. As la presin hdrica dentro de una clula vegetal,

a una misma altitud, es superior a la atmosfrica.

Para valorar las fuerzas energticas del agua en fisiologa vegetal no se

utiliza el potencial electroqumico, sino el parmetro w o potencial hdrico del

agua (en J.m-3), que contempla la presin de turgor:

=.. ln

+ +

. .

En el caso de la actividad del agua, dado que este elemento es el

disolvente y no tiene concentracin, el clculo es distinto que el utilizado para

iones y solutos. Para este caso se utiliza la fraccin molar de agua (Nw) que

depende del nmero de moles (n) de agua y de los solutos:

=

+

= .

Este parmetro vale 0 para el agua pura, y toma valores negativos para

agua con solutos. Ser tanto ms negativo cuanto mayor sea la concentracin

de solutos o presin osmolar . La presin osmolar puede determinarse en un

osmmetro (es igual a la presin hidrosttica aplicada para neutralizar un flujo)

o calculada por la relacin de Van Hoog:

= .. ln

En las clulas vegetales existen dos componentes osmticos que deben

ser sumados; el componente de presin osmtica de solutos (S) debido al

factor de la actividad del agua, y el componente de presin de la matriz

debido a la capacidad absorbente de los coloides () debido a .

= . . ln

. . ln

Por lo tanto podemos calcular el potencial hdrico en funcin de la

presin osmtica como:

= + . .

Aqu la presin osmtica representa la contribucin energtica negativa

al potencial, mientras que la presin representa la contribucin positiva.

El agua tiende a igualar su energa en dos medios por flujos a travs de

la membrana. Pueden tener lugar por difusin gracias a los puentes entre

hidrgeno, aunque su transporte puede ser facilitado por protenas

Fisiologa Vegetal

153

transmembrana, las acuoporinas, que aumentan la permeabilidad de la

membrana al agua.

En el equilibrio =

0 y se anulan los flujos de agua. Para realizar la

comparacin entre los potenciales hdricos internos y externos los trminos

correspondientes a la presin hidrosttica se anulan pues a corta distancia es

la misma (.g.h). Adems P0 = O (es igual a la presin atmosfrica pues no hay

turgencia), y 0 = 0 pues nada absorbe agua. Por otro lado Pi mantiene la

membrana del plasmalema, por las bandas de Hechtian, pegada a la pared

celular, se trata de la presin de turgor:

=

0 =

0

Utilizando un medio externo con concentraciones de sacarosa

conocidas, y valorando el flujo neto de agua a distintas concentraciones, puede

valorarse la diferencia de potencial hdrico. La sacarosa es un impermeante

que no es capaz de penetrar a las clulas.

La plasmlisis se produce cuando la turgencia de la clula disminuye, y

la membrana se separa de la pared celular. Queda unida exclusivamente a

travs de las bandas de Hechtian.

Fisiologa Vegetal

154

La plasmlisis tiene lugar cuando Pi = 0. El mantenimiento de esta

presin hidrosttica interna es responsable de la turgencia de la clula.

Cuando S0 aumenta el potencial hdrico externo se hace inferior (siendo

negativo aumenta su valor absoluto) y se establece un flujo de agua hacia el

exterior responsable de la cada de la presin de turgor. La plasmlisis

corresponde a Pi = 0, y se produce cuando S0 = totali (plasmlisis incipiente), y

si S0 > totali. La plasmlisis incipiente permite as determinar el totali. En caso

contrario se establece un flujo de agua hacia el interior que genera una presin

de turgencia. Para sustancias permeantes, al aumentar S0 aumenta tambin

totali, y la plasmlisis incipiente se produce a mayor presin osmtica externa.

Si 0 =

0 = 0 (agua pura) la clula tiende a equilibrarse con el medio,

que contiene una elevadsima energa. Al situarse una clula en una solucin de

agua pura se produce una situacin de mxima turgencia. En esta situacin se

alcanza el equilibrio ( =

0) cuando: = y por lo tanto

= 0. Es

imposible en ningn caso para la clula alcanzar una presin de turgor

superior, y una igual no se alcanza en la naturaleza.

Plasmlisis

Turgencia

Fisiologa Vegetal

155

El coeficiente de reflexin de los solutos muestra en que grado la

membrana refleja a los mismos. Permite determinar si son impermeantes

(sacarosa) o permeantes (sales difciles de disociar).

Fisiologa Vegetal

156

Cuanto mayor es el nmero de solutos externos, ms agua va a salir de

la clula. Si los solutos son impermeantes y su coeficiente de reflexin es 1, la

fuerza osmtica para atraer agua es mayor, y provocan plasmlisis incipiente a

menor concentracin. Por ejemplo para la sacarosa 0,97 < < 1 Los solutos

permeantes dependen de su coeficiente de reflexin (< 1), y este debe ser

tenido en cuenta en el clculo del potencial de agua:

Para solutos impermeantes: 0 =

Para solutos permeantes: .0 =

El coeficiente de permeabilidad est directamente relacionado con el

coeficiente de reflexin. Se trata de la facilidad en m.s-1 con la que la especie

atraviesa la membrana estudiada. Para coeficientes de permeabilidad

inferiores a 10-9 la sustancia es impermeante.

La prdida de agua en las hojas tiene lugar en fase de vapor. Se pueden

realizar mediciones del potencial de agua en fase de vapor en cmaras

aisladas con un psicrmetro.

Cuando las plantas abren los estomas pueden producirse flujos de agua

desde las cmaras areas hacia el exterior o viceversa. Esto depende de la

humedad absoluta del aire y de su temperatura. El flujo o equilibrio de agua en

una fase lquida hacia una fase gaseosa puede medirse como Pwv (presin del

vapor), por la ley de Raoult. Esta presin aumenta cuando lo hace la

temperatura, y tambin aumenta cuando disminuye la cantidad de solutos en

fase lquida. A temperatura constante, es mxima para agua pura y se

Fisiologa Vegetal

157

denomina presin de vapor a saturacin Pwv* (corresponde a 100% de humedad

relativa H.R). Segn la ley de Raoult:

= .

Para el agua pura = 1 y por lo tanto = . En fase gaseosa la

actividad del agua depende slo del trmino . Para calcular se puede

utilizar por lo tanto la humedad relativa (H.R.) con valores entre 0 y 1, puesto

que:

=

=% . .

100

As obtenemos:

=.

. ln

% ..

100+ ..

B/ Transporte a Larga Distancia:

Una parte fundamental del transporte de nutrientes debe tener lugar

desde las races hacia las hojas (sustancias minerales) y de vuelta con los

productos fotosintticos (esencialmente sacarosa). Este transporte puede ser

llevado a cabo, tericamente, por va simplstica u apoplstica, pero estos

mecanismos son a menudo muy lentos, y rboles de 100 metros de altitud como

las secuoyas no se lo pueden permitir. Por ello existen sistemas de transporte

por vascularizacin de los tejidos.

El xilema debe transportar sustancias minerales y agua desde la

profundidad del sustrato hasta el pice de la planta en contra de las fuerzas

gravitacionales. Para una secuoya este trabajo puede supopner un verdader

problema, y debe disponer de mecanismos muy eficaces para asegurarse el

suministro. La turgencia y la evaporacin crean una diferencia de presin

Fisiologa Vegetal

158

osmtica que favorece el ascenso de agua en contra de gravedad. El dimetro

de los haces vasculares tambin contribuye por gravedad.

La raz slo tiene capacidad de absorcin en la regin apical donde se

desarollan los capilares radiculares. La absorcin es facilitada por la va

apoplstica y por la va simplstica (numerosos plasmodesmos). Las bandas de

caspari (rojo) pueden impermeabilizar la va apoplstica hasta el haz vascular.

El agua capilar retenida en los poros del suelo es absorbida. Las

partculas neutras o con carga negativa tienen afinidad por la pared celular y la

va apoplstica. El agua difunde libremente entre el suelo y el apoplasto, segn

la ley de Fick (flujo J):

= . . .

Por la segunda ley de Fick el tiempo necesario para atravesar una pared

que se opone al flujo (lipdica) vara con el grosor de la barrera.

1.- Transporte por el Xilema:

El xilema es fundamental pues permite el flujo en masa y el ascenso por

capilaridad. Las fuerzas opuestas al flujo son las gravitatorias y las debidas a la

viscosidad del fludo. Los gradientes de presin entre hojas y raz deben vencer

estas fuerzas. El proceso es anlogo al sistema cardiovascular animal. El

miocardio genera una diferencia de presin entre grandes venas y arterias. Al

vencer la resistencia de los vasos se establece un flujo de sangre debido a la

diferencia de presin. La capilaridad tambin contribuye al ascenso del lquido.

La fuerza gravitacional del lquido es:

= . 2 . . .

Fisiologa Vegetal

159

La fuerza capilar depende del coeficiente de tensin superficial () y de

la temperatura que determina la cohesin de las molculas y su adhesin a la

pared del capilar. La adhesin es alta debido a las cargas negativas. La fuerza

de ascensin que corresponde a la capilaridad acta a lo largo de todo el

permetro de solucin. El ngulo depende de si el fludo moja o no y en que

grado. En equilibrio estas fuerzas hacen que el agua alcance determinada

altura en el capilar por encima de la superficie. Por la ley de Jurin:

=2.. cos

. .

En el xilema r = 20 m. En los intersticios del apoplasto r = 5 nm. Por

capilaridad el agua puede alcanzar una altura de 3 km por el apoplasto, pero es

extremadamente lento. A travs de xilema permite alcanzar 0,75 metros, lo que

es insuficiente, especialmente para las secuoyas.

La aplicacin de un gradiente de presin hidrosttica en las clulas de

las hojas permite ejercer una fuerza ascendente en el xilema. En los espacios

areos del mesfilo hay transpiracin y se producen prdidas de agua a travs

de los estomas abiertos. La fuerza de evaporacin genera tensiones y

presiones hidrostticas negativas en el seno del fludo del capilar. Al perderse

agua la osmosis aumenta y se generan flujos netos de agua al interior de las

clulas. As la evaporacin en el mesfilo representa una bomba de succin

desde el final del capilar, con los estomas abiertos.

Fisiologa Vegetal

160

Esto puede suceder cuando se establece un gradiente de potencial

hdrico desde el suelo hasta la atmsfera, lo que suele suceder durante el da

cuando se eleva la temperatura. Durante la noche el bombeo se produce desde

la raz debido a las concentraciones de sales. As se genera una tensin en el

xilema por presin radicular.

La cavitacin es la generacin de burbujas en el xilema; esto interrumpe

definitivamente la circulacin por la elevada tensin que mantiene a la burbuja

por fuertes tensiones. Al aumentar el viento disminuye por renovacin la

humedad relativa, y aumenta la velocidad de transpiracin y la tensin. Vientos

muy fuertes pueden causar cavitacin. En estos casos las puntuaciones

laterales entre las traqueidas y vasos xilemticos permiten el transporte lateral

del fluido a vasos yuxtapuestos.

2.- Transporte por el Floema:

A diferencia del xilema formado por trauqueas y traqueidas de clulas

muertas huecas, el floema est formado por clulas vivas. Tiene elementos

cribosos acompaantes de elevada actividad metablica. La placa cribosa se

encuentra entre las clulas vivas, que cuentan con un elevado nmero de

plasmodesmos. El principal elemento movilizado es la sacarosa. A menudo el

transporte floemtico no se enfrenta a las fuerzas gravitacionales, pero la

viscosidad del fluido transportado es muy superior al del xilemtico.

El modelo de Mnch del mecanismo bsico del flujo en masa puede

explicar el flujo xilemtico y floemtico. A y B son clulas osmticas. A contiene

una concentracin ms alta de sacarosa que B. Ambos osmmetros se

encuentran sumergidos en cubetas con agua y conectados por un tubo de

vidrio. El agua entra en A por smosis, incrementando as la presin de

turgencia y empujando la solucin de azcar hacia el osmmetro B.

Fisiologa Vegetal

161

Representacin de los flujos xilemtico y floemtico, conducidos por

gradientes de presin hidrosttica. El agua entra y sale del floema, movindose

hacia menores potenciales de agua. Los solutos entran y sales del floema

pasiva o activamente generando un gradiente de presin osmtica en el

floema, desde 1,7 Mpa en la hoja a 0,7 Mpa en la raz.

Fisiologa Vegetal

162