Aula 1 - Água e Células

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Teresina- PI (2024)
Água e Células Vegetais
Prof. Dr. Bruno AguiarDisciplina: Fisiologia Vegetal
Bibliografia
TAIZ, L.; ZEIGER, 
E.; MØLLER, I. M.; 
MURPHY, 
A. Fisiologia e 
desenvolvimento 
vegetal. Artmed 
Editora, 6ª ed., 2017.
O que vamos aprender?
De que forma a água se movimenta para dentro e para fora 
das células vegetais, enfatizando as suas propriedades 
moleculares e as forças físicas que influenciam seu 
movimento em nível celular.
 Água desempenha um papel-chave ou fundamental na
vida da planta (fisiologia vegetal);
 De todos os recursos que as plantas necessitam para
crescer e funcionar, a água é o mais abundante (+90%)
e, frequentemente, o mais limitante;
 Variações (tempo e espaço) na disponibilidade hídrica
pode limitar a produtividade dos ecossistemas agrícolas
e naturais (inibição fotossíntese).
Introdução: A água na vida das plantas 
“Recurso-chave que limita a produtividade”
Introdução: A água na vida das plantas 
A
g
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co
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N
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 Na fotossíntese, as plantas
retirem CO2 da atmosfera,
expondo à perda de água e à
ameaça de desidratação.
 A maior parte (cerca de 97%)
da água absorvida pelas raízes
é transportada pela planta e
evaporada pelas superfícies
foliares (transpiração);
Equilibrar a absorção, o transporte e a perda de água 
representa um importante desafio para as plantas terrestres
Introdução: A água na vida das plantas 
 2% permanece: consumida
na fotossíntese e em outros
processos metabólicos;
 Perda inevitável: medida que
o CO2 se difunde para dentro
das folhas, o vapor de água
difunde-se para fora;
 400 moléculas de água
perdidas para cada molécula de
CO2 obtida.
Equilibrar a absorção, o transporte e a perda de água 
representa um importante desafio para as plantas terrestres
Introdução: A água na vida das plantas 
Como a estrutura da água 
origina algumas de suas 
propriedades físicas 
exclusivas?
A estrutura e as propriedades da água
A água é uma molécula polar que forma pontes de hidrogênio
Ligação covalente: atração da carga (-) na extremidade do oxigênio com a
(+) em cada hidrogênio, tornando a água uma molécula polar.
Forma tetraédrica: dois pontos do tetraedro contêm pares solitários de 
elétrons (-), que criam atrações eletrostáticas entre as moléculas de agua, 
conhecidas como pontes de hidrogênio;
até quatro 
pontes de 
hidrogênio
A estrutura e as propriedades da água
A água é um excelente solvente (solubilidade)
 Dissolve quantidades ampla de substâncias iônicas e
macromoléculas: capacidade pelo pequeno tamanho, pontes de
hidrogênio e estrutura polar de sua molécula.
O oxigênio da água (-) interage com cátions (Na⁺), e 
o hidrogênio da água (+) interage com ânions (Cl⁻).
Isso enfraquece a atração eletrostática entre os 
íons, favorecendo sua separação e dissolução.
Processo: Com o aumento da 
temperatura, as moléculas vibram mais, 
mas as pontes de hidrogênio (“tiras de 
borracha”) absorvem parte da energia, 
limitando o movimento.
A estrutura e as propriedades da água
Calor específico (CE): energia (?) exigida para aumentar a temperatura 
de uma substância. 
Temperatura: medida de energia cinética (movimento)
Água: precisa de adição maior de calor para aumentar sua temperatura.
Função: estabilizar as 
flutuações de 
temperatura (Regulação 
térmica das plantas)
CEDevido às numerosas pontes de hidrogênio, a água tem um 
alto calor específico e um alto calor latente de vaporização
 A maior parte da energia rompe as 
pontes de hidrogênio, permitindo a 
evaporação. 
 Resfria a superfície e evita o 
superaquecimento das folhas
A estrutura e as propriedades da água
Devido às numerosas pontes de hidrogênio, a água tem um 
alto calor específico e um alto calor latente de vaporização
Calor latente de vaporização (CLV): energia (?) separar as 
moléculas da fase líquida e movê-las para fase gasosa 
(Transpiração), sem alterar a temperatura.
Calor 
Latente de 
Vaporização
não altera a 
temperatura das 
moléculas
de água que 
evaporaram
T
em
p
er
a
tu
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CLV mínimo é atingido em 100ºC
CLV
A estrutura e as propriedades da água
As moléculas de água são altamente coesivas
Essas atrações entre as moléculas são mais fortes do que as 
interações com o ar ao redor (fase gasosa adjacente).
minimiza a área 
de superfície
A tensão superficial: energia necessária para romper as ligações entre as 
moléculas de água na superfície do líquido. 
Quanto maior a área de contato da água com o ar, mais energia é 
necessária para vencer essa atração entre as moléculas.
Energia mínima mais estável 
Energia máxima menos estável 
pontes de hidrogênio 
rompidas
aumenta a área 
de superfície
As moléculas de água na interface ar-água (superfície) se atraem 
fortemente por pontes de hidrogênio, o que as mantém unidas.
Coesão
Atração mútua
Highlight
A estrutura e as propriedades da água
A atração da água por superfícies sólidas
Adesão: A atração por superfícies sólidas, como vidro ou paredes 
celulares de plantas. 
.
Adesão
Ocorre pela pontes de hidrogênio, mas, nesse caso, entre as 
moléculas de água e as moléculas da superfície sólida.
Ângulo de contato:
Grau de atração da
água à fase sólida em 
comparação com o grau de 
atração a si mesma
(o quanto a água se espalha 
ou se acumula sobre uma 
superfície sólida).
Highlight
A estrutura e as propriedades da água
A atração da água por superfícies sólidas
Adesão
Indica alta adesão
a água se espalha 
na superfície sólida
Indica alta coesão:
a água forma gotas, 
como em folhas com 
superfície hidrofóbica.
A estrutura e as propriedades da água
A água tem uma grande resistência à tensão
força máxima por unidade de área que uma coluna de água pode 
suportar antes de se romper
Pressão hidrostática positiva = 
Água é comprimida
Pressão hidrostática negativa = 
cria uma tensão, onde as moléculas 
de água resistem à separação e se 
mantêm unidas por pontes de 
hidrogênio, transmitindo a força.
Cavitação: Se houver bolhas de gás a água não poderá suportar grande tensões, 
prejudicando a continuidade do fluxo de água
Highlight
Difusão e Osmose
Os processos celulares dependem do transporte de moléculas
tanto para dentro e pra fora da célula
A difusão é o movimento espontâneo de substâncias de áreas de alta para baixa 
concentração (principal meio de transporte celular).
A taxa de difusão é proporcional ao gradiente
de concentração (Δcs/Δx), ou à diferença de
concentração entre dois pontos próximos.
Leis:
1. A difusão é mais rápida com um gradiente
de concentração mais acentuado.
2. A difusão varia com o tempo e o espaço.
3. O coeficiente de difusão não é constante em
meios não-homogêneos.
Adolf Fick (1850)
Difusão e Osmose
A difusão é mais eficaz para curtas distâncias
...À medida que a substância se difunde para longe do ponto de 
origem (se espalha), o gradiente de concentração torna-se menor 
(menos soluto), o movimento líquido torna-se mais lento.
gradiente de 
concentração
Difusão e Osmose
A difusão em soluções pode ser eficaz dentro de dimensões celulares, mas é 
extremamente lenta para ter eficácia por longas distâncias.
tempo médio requerido para uma substância se difundir a certa 
distância aumenta com o quadrado daquela distância.
o tempo médio necessário 
para uma molécula de 
glicose se difundir através 
de uma célula com 
diâmetro de 50μm é de 2,5s
1 m na água é de cerca de 32 anos O coeficiente de difusão 
(Ds = m2/s) = facilidade 
ou rapidez que se espalha
Difusão e Osmose
O coeficiente de difusão é uma característica da 
substância e depende do meio
O coeficiente de difusão 
(Ds = m2/s) = facilidade 
ou rapidez que se espalha
Moléculas maiores difundem mais lentamente. 
A difusão é mais rápida no ar do que em líquidos e 
aumenta com a temperatura.
Ex: difusão no ar é 
10 mil vezes mais 
rápida que a difusão 
em líquido
Difusão e Osmose
Difusão e OsmoseA Osmose (difusão) descreve o movimento da água através de uma barreira 
seletivamente permeável (membranas das células).
Se a concentração de solutos for maior dentro da célula do que na 
solução que a envolve, a água irá se difundir para o interior da célula
O movimento da água em 
direção ao soluto é uma forma 
de maximizar a dispersão do 
soluto e alcançar um equilíbrio, 
onde a concentração de soluto 
seja uniforme entre os dois 
lados da membrana 
(maximização a entropia)
Osmose vem do grego “empurrar” e refere-se à pressão gerada pelo 
movimento da água para equilibrar solutos confinados.
Difusão e Osmose
A parede celular evita a ruptura da membrana (exceto em 
células animais), limitando a expansão e equilibrando a 
entrada de água com a pressão exercida.
Potencial hídrico
Processos bioquímicos, acúmulo de solutos e transporte por longa 
distância são movidos por um aporte de energia livre (?) na planta. 
Ψ
Estudaremos como a concentração, a pressão e 
a gravidade influenciam a energia livre
Potencial hídrico
O potencial hídrico é uma medida usada para descrever a energia 
livre da água, levando em conta como essa energia pode ser usada 
para mover a água em diferentes ambientes (meio), como nas plantas.
Ψ
Ψq: Quantidade de energia livre de uma substância, indicando seu 
potencial para realizar trabalho (Joule por mol (J/mol))
P
o
te
n
ci
a
l 
q
u
ím
ic
o
 
A água flui espontaneamente, sem adição de energia, de regiões de 
maior potencial hídrico para outras de menor potencial, 
tendência da água em alcançar um estado de equilíbrio. 
Na física é Potencial Químico (Ψq) (Termodinâmica). 
Fisiologistas vegetais têm usado um parâmetro 
relacionado, denominado potencial hídrico
Potencial hídrico
Três fatores (forças) principais contribuem para o potencial hídrico celular:
Ψ
Ψ = Ψs + Ψp + Ψg
(letra grega Psi)
1. Concentração Ψs (Potencial de Soluto ou Osmótico: efeito do
soluto dissolvido; “reduz a energia livre da água”);
2. Potencial de Pressão (Ψp): pressão hidrostática, positiva ou
negativa, exercida pela água sobre a célula ou na planta,
influenciando o movimento da água através da planta e das células.
3. Gravidade Ψg (potencial gravitacional: move água para baixo)
Pressão de turgor ? 
Potencial hídrico
Potenciais hídricos podem ser medidos: 
Botânicos têm se dedicado ao desenvolvimento de métodos 
precisos para avaliar o status hídrico das plantas.
Ψ
1. Psicrômetros
2. Câmara de pressão
1. Mensura a energia necessária para converter a água de líquido para vapor
2. Aplica-se um gás que exerce uma pressão até que a água seja forçada a sair das 
células vivas da folha
Potencial hídrico das células vegetais
 As células vegetais têm potenciais hídricos de 0 Mpa
(megapascal) ou menos.
 Negativo: Indica que a energia livre da água dentro da célula é
menor do que a da água pura à temperatura ambiente
 À medida que o potencial hídrico da solução circundante da
célula muda, a água entra na célula ou a deixa por osmose.
Direção da água:
Maior potencial hídrico Menor potencial hídrico
Potencial hídrico das células vegetais
A água entra na célula ao longo de um gradiente de potencial hídrico
Em um béquer aberto com água pura a 20°C, o potencial de pressão 
e soluto são zero (Ψp = 0 MPa, Ψs = 0 MPa). 
Como a altura de referência é o nível do béquer, Ψg também é zero. 
Assim, o potencial hídrico total é 0 MPa (Ψ = Ψs + Ψp).
Potencial hídrico das células vegetais
A água entra na célula ao longo de um gradiente de potencial hídrico
Se dissolver sacarose na água até uma concentração de 0,1 M. 
Essa adição diminui o potencial osmótico (Ψs) para –0,244 MPa e 
reduz o potencial hídrico (Ψ) para –0,244 MPa.
Potencial hídrico das células vegetais
A célula vegetal flácida (Ψ = –0,732 MPa) em uma solução de sacarose 0,1 M 
(Ψ = –0,244 MPa) absorve água, pois o potencial hídrico da solução é maior.
Uma célula vegetal flácida 
(sem pressão de turgor): tem 
concentração 0,3 M (soluto), 
resultando em Ψs de –0,732 
MPa. 
Como não há pressão 
interna, o potencial de 
pressão (Ψp) é 0 MPa, 
tornando o potencial hídrico 
da célula –0,732 MPa.
Potencial hídrico das células vegetais
A água entra na célula, 
pressionando a parede 
celular, o que aumenta o 
potencial de pressão (Ψp) e 
o consequentemente o 
potencial hídrico (Ψ). 
Ψ (célula) = Ψ (solução).
Qual seria o novo Ψp?
O Ψp da célula aumenta 
até igualar o Ψ da solução, 
atingindo equilíbrio (ΔΨ 
= 0 MPa), cessando o 
fluxo de água.
Potencial hídrico das células vegetais
O cálculo do Ψp e do Ψs no 
equilíbrio celular requer o 
conhecimento da variação 
no volume celular. 
Qual seria o novo Ψp?
Aumentou em 15%, sendo 
1,15 vez maior aquele da 
célula flácida
Concentração final de solutos 
será diluída em 15%
(Ψs = –0,732/1,15 = –0,636 Mpa)
Potencial hídrico das células vegetais
Se a célula túrgida nesta solução 
(0,1 M) for comprimida, o Ψp
aumenta, elevando o Ψ e criando 
um ΔΨ (gradiente), forçando a 
saída de água.
É análogo a osmose reversa, 
onde a pressão externa separa a 
água dos solutos, forçando-a 
através de uma barreira 
semipermeável.
Descompressão: A célula recupera seu Ψ inicial, mas com Ψ alterados.
Potencial hídrico das células vegetais
O fluxo de água através de membranas é passivo, movendo-se para 
regiões de menor potencial hídrico ou baixa energia livre. 
Ponto comum em todos esses exemplos:
Não há bombas metabólicas conhecidas que forcem esse 
movimento contra o gradiente de energia livre.
Agora é sua vez...
Um béquer contém uma solução de 0,1 M de sal, cujo potencial
osmótico (Ψs) é de –0,302 MPa. Sabendo que a célula está em equilíbrio
com essa solução, qual é o seu potencial hídrico?
O que aconteceria se essa célula fosse transferida para uma outra 
solução com menor concentração de sal?
O potencial hídrico e seus componentes variam 
com as condições de crescimento e sua localização 
dentro da planta
Em folhas de plantas bem 
hidratadas: Ψ varia de –0,2 a cerca 
de –1,0 MPa em plantas herbáceas e 
a –2,5 MPa em árvores e arbustos. 
Folhas de plantas em climas 
áridos: Ψ muito menores, caindo 
abaixo de 10 MPa sob as condições 
mais extremas.
Embora o Ψs nas células seja muito 
negativo, a solução no apoplasto, i.e., 
paredes celulares e no xilema, é 
geralmente diluída.
Propriedades da parede celular e da
membrana plasmática
Os elementos estruturais influenciam as relações hídricas (status 
hídrico) das células vegetais. 
A elasticidade da parede celular define a relação entre pressão
de turgor e volume celular, enquanto a permeabilidade à água da 
membrana plasmática e do tonoplasto determina quão rápido
as células trocam água com seu entorno.
Propriedades da parede celular e da
membrana plasmática
O potencial hídrico (Ψ) 
diminui significativamente 
com a redução do conteúdo de 
água, enquanto o potencial 
osmótico (Ψs) muda pouco. 
Quando o volume celular cai 
abaixo de 90%, a maior 
alteração no Ψ se deve à queda 
no Ψs, com pouca mudança na 
pressão de turgor.
Propriedades da parede celular e da
membrana plasmática
Cactos: Células epidérmicas fotossintéticas e internas de armazenamento
de água.
Seca: Água é perdida nas células internas devido à maior flexibilidade e
paredes finas, com decréscimo de concentração de solutos, mantendo o
Ψ em equilíbrio entre as células.
Ex:
O status hídrico da planta
O potencial hídrico também avalia o status hídrico das plantas, 
na qual afeta seus processos fisiológicos.
A sensibilidade dos 
processos fisiológicos aos 
déficits hídricos (baixo 
potencial hídrico) reflete 
a estratégia da planta para 
lidar com a variação na 
disponibilidade de água.
A espessura das setas corresponde à magnitude do processo
O status hídrico da planta
Estratégia de acumulação de solutos ajuda a manter a pressão 
de turgor e o volume das células
Manter a atividade 
fisiológicacom pouca 
água acarreta custos 
(trade-off), como 
acumular solutos 
(despender energia), 
crescer raízes ou formar 
vasos resistentes a altas 
pressões.