1 Relações Hídricas

Introdução

 

A água é uma das mais importantes substâncias do planeta e o solvente ideal para a ocorrência dos processos bioquímicos. Foi em um sistema aquoso que a vida evoluiu. Entre os primeiros organismos de que se tem registro fóssil, estão as plantas vasculares, aproximadamente 450 milhões de anos atrás, o que corresponde a apenas 10% da idade do planeta Terra. Provavelmente, a demora na conquista do ambiente terrestre se deu pela dificuldade na obtenção de água em um ambiente inerentemente seco. O desenvolvimento de raízes e um sistema vascular avançado foram necessários para absorver e transportar água, e epiderme e os estômatos para conservá-la.

Em tecidos metabolicamente ativos de plantas em crescimento, a água constitui 80 a 95% da massa, enquanto em tecidos lenhosos, alcança de 35 a 75%. Embora certas plantas tolerantes à dessecação contenham somente 20% de água e sementes secas possam ter de 5 a 15%, ambas, nessas condições, estão metabolicamente inativas e reassumem atividade apenas após a absorção de uma considerável quantidade de água.

A água é absorvida do solo, movimenta-se pela planta e boa parte se perde para a atmosfera na forma de vapor, processo este conhecido como transpiração. Aproximadamente 40% da precipitação que cai sobre a superfície da Terra retorna para a atmosfera via transpiração (Berry et al., 2010). Sob o calor de 1 dia ensolarado, a folha pode trocar 100% de seu conteúdo de água em apenas 1 h. Para cada 2 g de matéria orgânica produzida pela planta, aproximadamente 1 ℓ de água é absorvido pelas raízes, transportado pelo corpo da planta e perdido para a atmosfera. Em plantas mesófilas (plantas adaptadas a ambientes com relativa disponibilidade de água) em um solo úmido e atmosfera com baixa umidade relativa (UR), cerca de 82% da água absorvida é transpirada e 18% armazenada. Já em plantas xerófilas (plantas adaptadas a ambientes secos) suculentas, apenas 50% da água absorvida é transpirada. A água nas células é armazenada nos vacúolos e no protoplasma (90 a 95%) e nas paredes (5 a 10%).

A importância do estudo das relações hídricas em plantas resulta da diversidade de funções fisiológicas e ecológicas da água. Entre os recursos de que a planta necessita para crescer e funcionar, a água é o mais abundante e, também, o mais limitante. Logo, tanto a distribuição da vegetação sobre a superfície terrestre quanto a produtividade agrícola são controladas principalmente pela disponibilidade de água.

A absorção de água pelas células gera, no interior destas, uma força conhecida como turgor, a facilidade de apresentar grandes pressões hidrostáticas internas em razão das paredes celulares. Na ausência de qualquer tecido de sustentação, as plantas, para permanecerem eretas, necessitam manter a turgidez. A pressão de turgor é essencial também para muitos processos fisiológicos, como o alongamento celular, as trocas gasosas nas folhas e o transporte no floema. A perda do turgor em decorrência do estresse hídrico provoca o fechamento estomático, a redução da fotossíntese e da respiração e a interferência em muitos processos metabólicos básicos.

A água é imprescindível como reagente ou substrato de importantes

processos como a fotossíntese (ver Capítulo 5) e a hidrólise do amido em

açúcar (ver Capítulo 7) em sementes germinando. A água foi essencial para o surgimento e a evolução dos organismos aeróbios, os mais evoluídos sobre a Terra. A partir do surgimento da fotossíntese há cerca de 2,5 bilhões de anos em organismos semelhantes às atuais cianobactérias, teve início a concentração de oxigênio na atmosfera, antes inexistente e que foi aumentando até os 21% com os quais se convive hoje, resultantes da quebra da molécula de água (doadora de elétrons) em H+ e O2, possibilitando uma enorme diversificação de formas de vida no planeta.

Outras importantes funções da água estão associadas ao movimento de nutrientes minerais tanto no solo quanto nas plantas, ao movimento de produtos orgânicos da fotossíntese, à locomoção de gametas no tubo polínico para a fecundação e ao transporte na disseminação de esporos, frutos e sementes para muitas espécies.

Nas últimas décadas, os estudos de relações hídricas têm progredido rapidamente em virtude da utilização dos conceitos da termodinâmica, que permitiram um melhor entendimento do movimento da água nas plantas e em outros sistemas biológicos. Como consequência, esses estudos originaram conceitos e análises na relação água–planta intimamente relacionados com as leis da termodinâmica, sendo necessários alguns conhecimentos básicos dessa disciplina para entender os princípios do movimento da água.

Toda a importância da água no sistema solo–planta–atmosfera está diretamente ligada às características químicas da molécula, que lhe conferem propriedades físico-químicas singulares. Neste capítulo, serão abordados a estrutura química e as propriedades físico-químicas da água, os princípios do seu movimento, o potencial químico e o conceito de potencial da água. Esses conhecimentos são básicos para o entendimento da abordagem posterior sobre o movimento da água nas plantas e entre as plantas e o ambiente.

 

Estrutura e propriedades físico-químicas da água A água apresenta várias propriedades físicas e químicas diferenciadas em comparação a outras moléculas de tamanhos similares. Essas propriedades capacitam a água a agir como “solvente universal” e ser prontamente transportada pela planta. Nenhuma outra substância conhecida tem mais propriedades incomuns que a água.

 

Estrutura da molécula de água

As propriedades físico-químicas da água estão intimamente relacionadas com a sua estrutura eletrônica, ou seja, derivam primariamente da estrutura

polar da molécula de água. Para ilustrar, na Tabela 1.1 são apresentados os elevados pontos de fusão e ebulição da água, quando comparados com os de substâncias de estruturas similares, o que indica a sua alta força intermolecular. O aumento da temperatura não rompe facilmente as ligações água–água.

As fortes ligações entre as moléculas de água resultam das formações de

pontes de hidrogênio como consequência da estrutura da molécula (Figura

1.1 A). Na água, o oxigênio se une covalentemente a dois átomos de hidrogênio com distâncias de 0,099 nm e um ângulo de 105°. O átomo de oxigênio é mais eletronegativo que o hidrogênio, fazendo com que na ligação covalente o oxigênio tenda a atrair os elétrons, os quais ficam mais afastados dos átomos de hidrogênio. Como resultado, o átomo de oxigênio na molécula de água apresenta cargas parciais negativas (δ–), enquanto cada hidrogênio tem carga parcial positiva (δ+). As cargas parciais são correspondentes, de modo que a molécula de água não apresenta nenhuma carga líquida (eletricamente neutra). Entretanto, essa distribuição assimétrica de elétrons faz da água uma molécula polar, um dipolo. A separação de cargas positivas e negativas gera uma atração elétrica mútua entre moléculas polares, que possibilita a formação de pontes de hidrogênio

(Figura 1.1 B).

Os hidrogênios positivamente carregados da molécula de água são eletrostaticamente atraídos pelo oxigênio negativamente carregado de duas outras moléculas vizinhas. Isso leva à formação de pontes de hidrogênio entre as moléculas, com uma energia de cerca de 20 kJ mol–1. Cada molécula de água pode estabelecer pontes de hidrogênio com outras quatro. As pontes de hidrogênio são bem mais fracas que as ligações covalentes ou iônicas, que normalmente têm uma energia de 400 kJ mol–1, mas mais fortes que as atrações momentâneas conhecidas como força de van der Waals, que apresentam cerca de 4 kJ mol–1.

As ligações covalentes são fortes, mas podem ser rompidas durante as reações químicas. As forças intermoleculares de van der Waals ou de London e as pontes de hidrogênio possibilitam interações entre moléculas adjacentes e afetam o comportamento de gases e líquidos. Por exemplo, o que caracteriza a grande diferença nas propriedades físicas entre o metano e

a água (Tabela 1.1) reside no fato de que o primeiro não apresenta efeito de dipolo permanente, porque sua molécula não apresenta distribuição assimétrica de elétrons, e, consequentemente, nenhuma carga parcial que possibilite a formação de pontes de hidrogênio. No entanto, mesmo as moléculas neutras podem apresentar, momentaneamente, características dipolares, causando as interações chamadas força de van der Waals.

As forças produzidas pela distribuição assimétrica de cargas da molécula de água são responsáveis pela estrutura simétrica cristalina do gelo. Quando a água no estado sólido derrete a 0°C, com a absorção de energia na faixa de 6 kJ mol–1, aproximadamente 15% das pontes de hidrogênio são quebradas. No estado líquido a 25°C, aproximadamente 80% das pontes de hidrogênio são mantidas intactas (estrutura semicristalina). Uma considerável quantidade de energia, cerca de 32 kJ mol–1 (igual a 73% do calor latente de vaporização), é requerida para

romper essas pontes durante a evaporação (Figura 1.2). Assim, a fórmula química da água poderia ser expressa como (H 2O)n, em que o n diminui com o aumento da temperatura.

 

Figura 1.1 A. Representação esquemática da molécula de água. As duas ligações intramoleculares dos hidrogênios com o oxigênio formam um ângulo de 105°. As cargas parciais opostas (δ– + e δ) resultam na formação de pontes de hidrogênio com outras moléculas de água; as setas indicam a posição dessas pontes. B. Esquema mostrando as distâncias das ligações de átomos de hidrogênio e oxigênio intra e intermoleculares. As ligações covalentes (intramoleculares) são representadas em azul, e as pontes de hidrogênio (intermoleculares) por linhas pontilhadas.

Tabela 1.1 Comparação entre as propriedades físicas da água e as de outros compostos com estruturas similares.

Substância Fórmula Quantidade Ponto de Calor de Ponto de Calor de

química de H fusão fusão (J ebulição vaporização

(°C) –1 –1 g ) (°C) (J g)

 

Metano CH4 4 –184 58 –161 556

 

Amônia NH3 3 –78 452 –33 1.234

 

Água H O 2 0 335 100 2.452 2

Fluoreto de HF 1 –92 – 19 – H

 

Neônio Ne 0 –249 – –246 –

 

Além das interações entre as moléculas de água, as ligações de hidrogênio são importantes para atrações entre a água e outras moléculas ou superfícies com átomos eletronegativos (O ou N). Por exemplo, as ligações de hidrogênio são a base das capas de hidratação que se formam na superfície de moléculas biologicamente importantes, como proteínas, ácidos nucleicos e carboidratos. Tem-se estimado que a capa de hidratação pode corresponder a 30% da massa hidratada de uma proteína, sendo muito importante para a estabilidade da molécula.

 

Propriedades físicas e químicas da água A polaridade da molécula de água e a extensiva quantidade de pontes de hidrogênio apresentada no estado líquido contribuem para as propriedades raras ou singulares e biologicamente importantes da água.

 

Propriedade de solvente

Por ser um solvente de largo espectro (“solvente universal”), a água dissolve a maior quantidade e variedade de substâncias que qualquer outro solvente conhecido. Essa excelente propriedade de solvente da água se deve à sua natureza polar e ao seu pequeno tamanho, possibilitando que compreenda um bom solvente para substâncias iônicas e para moléculas que contenham resíduos polares, como –OH ou –NH , comumente 2 encontradas em açúcares e proteínas. Como solvente, a água é quimicamente inerte, atuando como um meio ideal para a difusão e as interações químicas de outras substâncias.

A água tem a capacidade de neutralizar cargas de íons ou macromoléculas, circundando-as de forma orientada com uma ou mais camadas, formando a chamada capa de moléculas de água ou camada de solvatação. Essa capa de hidratação reduz as probabilidades de recombinações entre os íons e as interações entre as macromoléculas,

funcionando como um isolante elétrico (Figura 1.3). A efetividade da água como isolante elétrico diminui com a concentração do soluto.

A água tende também a se ligar fortemente à superfície de partículas do solo, como argila, silte e areia, bem como à celulose e a muitas outras substâncias. Essa característica de adsorção tem grande importância na relação solo–planta.

A polaridade da molécula de água pode ser medida por uma grandeza conhecida como constante dielétrica. A água apresenta uma das maiores constantes dielétricas de que se tem conhecimento entre os solventes

(Tabela 1.2). Em razão dessa característica, a água se apresenta como um excelente solvente para íons e moléculas carregadas, diferentemente do benzeno e do hexano.

 

Propriedades térmicas

Em função da considerável quantidade de energia requerida para romper a forte atração intermolecular causada pelas pontes de hidrogênio, a água apresenta propriedades térmicas atípicas e biologicamente muito importantes, como elevados valores de ponto de fusão e de ebulição, de calor latente de fusão e de vaporização e de calor específico. Essas propriedades são extremamente importantes, possibilitando que a água se mantenha no estado líquido a temperaturas compatíveis com a vida.

Figura 1.2 A. Diagrama esquemático da agregação das moléculas em uma forma semicristalina. B. Desagregação das moléculas de água decorrente da contínua agitação térmica, mostrando uma configuração ao acaso (fase gasosa).

 

 

Figura 1.3 A. Orientação das moléculas de água na superfície de um íon. B. Orientação das moléculas de água em superfícies de macromoléculas carregadas.

 

De modo geral, quanto menor uma molécula, menores serão seus pontos de fusão e ebulição. Desse ponto de vista, em temperaturas terrestres, a água estaria na forma de vapor. Entretanto, isso não ocorre em razão de sua grande capacidade de formar pontes de hidrogênio, por ser dipolar, apresentando pontos de fusão e ebulição bem superiores aos de outras

moléculas similares (ver Tabela 1.1).

A energia requerida para separar moléculas de um líquido e mover para uma fase de vapor adjacente, sem uma mudança de temperatura, é chamada de calor latente de vaporização. Já a energia exigida para converter uma substância do estado sólido para o líquido é conhecida como calor latente de fusão. As pontes de hidrogênio aumentam a quantidade de energia requerida para a água evaporar, necessitando de 2.452 J de energia para converter 1 g de água líquida em vapor (44 kJ mol–1). Trata-se do maior valor de calor latente de vaporização conhecido entre os líquidos. Assim como as pontes de hidrogênio aumentam a energia requerida para a evaporação, também aumentam a energia necessária para o gelo derreter, fazendo com que a água tenha um calor latente de fusão menor somente que

o da amônia (ver Tabela 1.1). A água necessita de 335 J de energia para converter 1 g de gelo em 1 g de líquido a 0°C (6 kJ mol–1).

A importância dessas propriedades para a vida das plantas reside no fato de que, uma vez bem hidratadas, as plantas, para sofrerem com a queda da temperatura, precisam perder grande quantidade de calor. Contudo, pela necessidade de absorver grande quantidade de energia calórica de regiões vizinhas, o alto calor de vaporização da água leva a um resfriamento associado à evaporação.

Tabela 1.2 Constantes dielétricas de alguns solventes a 25°C.

Substância Constante dielétrica

 

Água 78,4

 

Metanol 33,6

 

Etanol 24,3

 

Benzeno 2,3

 

Hexano 1,9

O calor específico refere-se à quantidade de energia calórica requerida por uma substância para que ocorra um dado aumento de temperatura. O calor específico da água é de 1 caloria por grama por grau centígrado, correspondente a 4,184 J g–1°C–1, maior que qualquer outra substância, com exceção da amônia líquida, que é cerca de 13% maior. Uma caloria é definida pela quantidade de calor necessária para aquecer em 1°C 1 m ℓ de água, nas condições normais de temperatura e pressão. Quando a temperatura da água é aumentada, as moléculas vibram rapidamente, e grande quantidade de energia é requerida pelo sistema para quebrar as pontes de hidrogênio. Esse alto calor específico possibilita que a água funcione como um tampão de temperatura para os organismos. Assim, as células das plantas podem trocar grande quantidade de calor com o ambiente sem que ocorram variações consideráveis na temperatura interna da célula.

O alto calor específico da água tende a estabilizar a temperatura e é refletido, sob condições naturais, na temperatura relativamente uniforme encontrada em ilhas de terras próximas a grandes corpos de água. Isso é importante tanto para a agricultura quanto para a vegetação natural. A água é também extremamente boa condutora de calor, comparada com outros líquidos e sólidos não metálicos, embora pobre em comparação aos metais. Essa alta condutividade térmica da água líquida também resulta de sua estrutura altamente ordenada. A combinação do alto calor específico com a alta condutividade térmica capacita a água a absorver e redistribuir muita energia calórica sem haver um correspondente aumento da temperatura.

Outra propriedade importante para as plantas é o fato de a água líquida ser quase incolor. A boa transmissão de luz visível possibilita que as plantas aquáticas fotossintetizem a profundidades consideráveis.

 

Propriedades de coesão e adesão As propriedades de coesão e adesão da água estão também relacionadas com a forte atração entre suas moléculas e entre estas e superfícies carregadas, respectivamente.

A atração intermolecular que ocorre com as moléculas de água resultando na formação das pontes de hidrogênio dá origem à propriedade conhecida como coesão. Como consequência dessa alta força coesiva interna entre as moléculas, a água apresenta também considerável tensão superficial. Isso fica evidente na comparação entre a água e o ar, porque as moléculas de água são mais fortemente atraídas pelas moléculas vizinhas que pela fase gasosa do outro lado da superfície. O termo tensão superficial refere-se à condição que existe na interface. Entretanto, a melhor maneira de definir tensão superficial é considerá-la a quantidade de energia requerida para expandir a superfície por unidade de área (J m–2). A água tem uma tensão superficial maior que qualquer outro líquido, com exceção do mercúrio.

Como resultado dessa alta tensão superficial, a água apresenta dificuldades de se espalhar e penetrar nos espaços de uma superfície. Isso fica evidente na formação de gotículas nas folhas e no fato de a água não entrar nos espaços intercelulares das folhas pelos estômatos abertos. A alta tensão superficial é a razão também de a água suportar o peso de pequenos insetos.

Certos solutos, como sacarose e KCl, não se concentram preferencialmente na interface ar–líquido e, consequentemente, têm pouco efeito sobre a tensão superficial de uma solução aquosa. Contudo, ácidos graxos e certos lipídios podem concentrar-se na superfície (interface) e reduzir muito a tensão superficial. São moléculas denominadas surfactantes, com regiões polares (hidrofílicas) e apolares (hidrofóbicas), conhecidas como moléculas anfipáticas ou anfifílicas, e frequentemente adicionadas aos fungicidas e herbicidas nas pulverizações, visando, com a quebra da tensão superficial, a uma distribuição mais uniforme destes nas superfícies foliares.

A coesão das moléculas de água é também responsável pela alta força tênsil (força de tensão), definida como a capacidade de resistir a uma força de arraste, ou, ainda, como a tensão máxima que uma coluna ininterrupta de qualquer material pode suportar sem quebrar. Não é comum pensar em líquidos dotados de força tênsil, por esta ser uma propriedade típica dos metais; no entanto, uma coluna de água também consegue suportar tensões bastante altas, na ordem de 30 megapascal (MPa) (1 MPa = 10 bar = 9,87 atm). Isso facilita o arraste de uma coluna de água em um tubo capilar sem que esta se rompa. No xilema, o rompimento da coluna contínua de água tem efeito devastador sobre o transporte da seiva bruta, principalmente em árvores.

As mesmas forças que atraem as moléculas de água (coesão) são aquelas que atraem as moléculas de água às superfícies sólidas, uma propriedade conhecida como adesão. Essas interações atrativas são importantes para a subida da água em tubos de pequenos diâmetros.

As propriedades de coesão, tensão superficial, força tênsil e adesão, juntas, ajudam a explicar o fenômeno conhecido como capilaridade, o movimento ascendente da água em tubos de pequenos diâmetros tanto de vidro (a água sobe, em um tubo de vidro de 0,03 mm de diâmetro, até uma altura de aproximadamente 120 cm) quanto no próprio xilema. Essas propriedades são importantes para explicar também a teoria da coesão e tensão ou teoria de Dixon a respeito do movimento ascendente de água no xilema, que será abordado posteriormente.

 

Processos do movimento da água

Nas plantas, a água e os solutos estão em constante movimento dentro das células, de célula para célula, de tecido para tecido, do solo para as raízes, dessas para as folhas, das folhas para a atmosfera. Logo, quando se estudam as relações hídricas, é importante conhecer o que governa o movimento da água.

Tanto nos sistemas vivos quanto no mundo abiótico, os movimentos das moléculas são governados por dois processos: o fluxo em massa e a difusão. No caso da água, deve também ser considerado um tipo especial de movimento conhecido como osmose. Esses movimentos obedecem a leis físicas. O gradiente de potencial de pressão (ou pressão hidrostática) geralmente constitui a força que dirige o movimento de fluxo em massa; e, desde que nenhuma outra força esteja agindo sobre as moléculas, outro tipo de gradiente, o de concentração, está relacionado com o movimento por difusão.

 

Fluxo em massa

O movimento de grupos de moléculas por fluxo em massa ocorre quando forças externas são aplicadas, como pressão produzida por alguma compressão mecânica ou a própria gravidade; assim, todas as moléculas tendem a se mover na mesma direção em massa, enquanto a difusão resulta do movimento ao acaso de moléculas individuais. Pode-se então definir fluxo em massa como o movimento conjunto de partículas de um fluido em resposta a um gradiente de pressão; trata-se da forma mais simples de movimento fluido. Exemplos comuns de fluxo em massa são o movimento da água em um rio e a chuva – ambos são respostas à pressão hidrostática estabelecida pela gravidade.

Água e solutos movem-se por meio do xilema por fluxo em massa. Esse movimento é causado pela tensão ou pressão negativa desenvolvida nas superfícies transpirantes, a qual é transmitida à seiva do xilema da parte aérea para as raízes, conforme será visto adiante. No interior das plantas, pode haver também o fluxo em massa pelas paredes das células, e a própria ciclose (movimento do hialoplasma ou citosol nas células) pode ser considerada um fluxo em massa. Pode ainda ocorrer fluxo em massa de água e outras substâncias no solo, e deste para as plantas.

 

Difusão

Conforme mencionado anteriormente, ao contrário do fluxo em massa, a difusão envolve movimento espontâneo de partículas individuais. Define-se o fenômeno de difusão como o movimento, ao acaso, de partículas (moléculas e íons), causado por sua própria energia cinética, de uma região para outra adjacente, em que a mesma substância está em menor concentração ou menor potencial químico. Assim, a difusão é um processo pelo qual as partículas se misturam como resultado de sua agitação ao acaso. Por exemplo, as partículas que constituem um sistema estão em contínua movimentação (movimento termocaótico) em todas as direções, colidindo umas com as outras e trocando energia cinética. Se houver inicialmente uma distribuição desuniforme de moléculas ou íons de determinada substância, o movimento contínuo destes tende a distribuí-los uniformemente por todo o espaço disponível – ou seja, como existe um maior número de partículas na região mais concentrada, e, portanto, com maior potencial químico, haverá também forte tendência de as partículas se moverem em direção à região de menor concentração, isto é, com menor

potencial químico da substância (Figura 1.4).

Quando um soluto (açúcar, sal etc.) é colocado em um recipiente com água (solvente), à medida que se dissocia, suas partículas se difundirão em direção ao solvente, enquanto as moléculas deste o farão em direção oposta. Isso ocorre até que a solução se misture uniformemente. Vale insistir que tanto a difusão do soluto quanto a do solvente se deram, exclusivamente, em razão da própria energia cinética de suas partículas, sem a participação de quaisquer outras forças. Uma vez alcançada a distribuição uniforme das moléculas ou íons, é estabelecido um equilíbrio na solução, refletido pela cessação dos movimentos de difusão das partículas do sistema.

A difusão faz parte da rotina diária das pessoas, talvez até mesmo sem que a percebam, como o açúcar adicionado ao copo de água, a fragrância emanada de um frasco de perfume ou de flores encontradas a distância, o corante colocado em um tanque com água etc. Para as plantas, a difusão tem um enorme significado funcional, seja no solo atuando no movimento de água e nutrientes até as raízes, seja na atmosfera influenciando, extensamente, as taxas de transpiração e a captação de CO2 na fotossíntese.

A difusão de solutos a longas distâncias é muito lenta. Estimou-se um período de 8 anos para que uma pequena molécula com coeficiente de difusão de 10–5 cm2 s–1 se difundisse 1 m na água, mas somente 0,6 s para difundir 5 μm, uma distância típica de células da folha (Nobel, 2009). Isso sugere que o movimento a longas distâncias nas plantas, como no xilema, não ocorre por difusão. As substâncias que se movem no fluxo transpiratório da planta (longa distância) o fazem principalmente por fluxo em massa.

 

Osmose

Imagine um recipiente separado em duas partes por uma membrana com permeabilidade seletiva (semipermeável), tendo de um lado água pura e, do outro, uma solução de açúcar. Sob tais condições, ocorrerá um maior movimento de água do local onde ela se encontra pura para o lado contendo a solução de sacarose. Esse maior movimento da água pela membrana semipermeável é chamado de osmose. As membranas celulares de todos os organismos são semipermeáveis, ou seja, permitem que a água e outras pequenas partículas sem carga as atravessem mais prontamente que solutos grandes ou carregados eletricamente.

Figura 1.4 Movimento termocaótico de partículas que leva à difusão, podendo ocorrer com líquidos, sólidos ou gases. A. Compartimento com diferentes concentrações. B. Compartimento após o equilíbrio dinâmico. Entropia de R2 > R1 no início, tendência de R2 se desorganizar até R1 = R2.

 

 

Durante muito tempo, acreditou-se que a osmose, difusão das moléculas de água pela bicamada lipídica das membranas, fosse a única forma de entrada de água nas células vegetais e animais. Entretanto, há algum tempo tem sido observado que nesse movimento está envolvido também um fluxo em massa por microcanais de proteínas, conhecidas como aquaporinas, presentes de forma abundante nas membranas vegetais e comuns em microrganismos e animais. As aquaporinas são proteínas transmembranas ou proteínas intrínsecas da membrana (MIP), com massa molecular de 26 a 34 quilodaltons, pertencentes à principal família de proteínas constituintes das membranas celulares, que conectam ambas as superfícies.

Com a identificação das aquaporinas, ficou claro que a entrada de água nas células resulta da combinação da difusão de moléculas de água por meio da bicamada lipídica e do fluxo em massa por meio das aquaporinas,

que fazem parte da membrana plasmática (Figura 1.5). Seja como for, a força motriz de ambos os processos é o gradiente de potencial químico da água (no próximo item, será abordado o conceito de potencial químico).

A variação entre o estado aberto e fechado das aquaporinas, que ditará a capacidade das células das plantas em modificar a permeabilidade à água, é regulada por gradiente de pressão, heteromerização, fosforilação de resíduos de serina, mudanças de pH que levam a protonação de resíduos de histidina e concentração de cálcio. No entanto, o total entendimento dessa regulação carece de evidências experimentais, porque ainda não está claro o papel desses mecanismos na estrutura do poro. Embora não mude a direção do movimento nem a força que o dirige, toda essa regulação pode alterar a taxa de movimento de água em resposta a estresse hídrico, salinidade, ritmo circadiano e resfriamento.

 

Figura 1.5 Movimento da água pela membrana plasmática das plantas. A. Individualmente, por difusão pela bicamada lipídica. B. Por fluxo em massa, pelos microcanais de proteínas integrais da membrana, denominadas aquaporinas.

A primeira vez em que se demonstrou a função das aquaporinas em vegetais foi com o isolamento de uma proteína de Arapdopsis thaliana (L.) Heynh. (Maurel et al., 1993). Hoje se sabe que as diversas aquaporinas de plantas não transportam somente água, mas também outras moléculas não carregadas eletricamente de pequena massa, como glicerol, ácido salicílico, ácido bórico, dióxido de carbono, óxido nítrico, peróxido de hidrogênio, ureia, arsenito e amônia (Gaspar, 2011). No entanto, estudos indicam que todas as aquaporinas são permeáveis aos gases dióxido de carbono e óxido nítrico, porém moléculas maiores são transportadas somente por isoformas específicas. Assim como a entrada de água ocorre a favor de um gradiente de potencial químico da água, a de outras moléculas obedece ao gradiente de concentração; logo, são transportes considerados passivos. Além de facilitarem o transporte de água e solutos, presume-se que as aquaporinas poderiam atuar como sensores de potencial osmótico e de pressão de turgor.

A osmose pode ser demonstrada por um dispositivo conhecido como osmômetro, que compreende o fechamento de uma das extremidades de um tubo contendo uma solução de sacarose com uma membrana semipermeável

(Figura 1.6 A). Quando o conjunto é colocado dentro da água pura, há um aumento do volume de solução no tubo em decorrência da maior passagem de água do recipiente para o tubo, que é a osmose. Isso ocorre porque o potencial químico da água na solução é menor que o da água pura. O movimento de água pela membrana diminui gradualmente, em parte, pela diluição da solução no tubo e, em parte, pela pressão hidrostática exercida pelo aumento do volume de água no interior do osmômetro. Tanto a diluição quanto a pressão hidrostática contribuem para o aumento do potencial químico da água no tubo, diminuindo em consequência o gradiente. O equilíbrio é estabelecido quando a pressão hidrostática neutraliza o efeito da presença da sacarose, fazendo com que o gradiente de potencial químico da água desapareça.

No osmômetro, demonstra-se que a osmose não é dirigida somente pela concentração de soluto dissolvido, mas também por pressões que se estabelecem no seu interior. Assim, a solução do tubo pode ser pressionada, possibilitando medir a força necessária para impedir qualquer aumento no

volume do tubo (Figura 1.6 B). Essa força, medida em unidades de pressão (força por unidade de área), é igual à pressão osmótica exercida pela solução de açúcar.

Não sendo colocada em um osmômetro, uma solução, isoladamente, não apresenta pressão osmótica (p), mas tão somente o potencial para manifestar essa pressão. Por isso, diz-se que as soluções têm potencial osmótico, uma de suas propriedades, cujo valor é o mesmo da pressão osmótica, mas com sinal negativo, pois apresentam forças iguais, porém opostas. Ainda neste capítulo, será abordado mais detalhadamente o potencial osmótico.

Análogo ao osmômetro é o comportamento das células das plantas. Quando células flácidas, ou seja, com baixa pressão de turgor, são

colocadas em água pura, no início a absorção é rápida (Figura 1.6 A e C), diminuindo lentamente até chegar ao equilíbrio dinâmico, cessando a

absorção líquida de água (Figura 1.6 B e D). Nesse ponto, a energia livre da água fora e dentro da célula é a mesma. Embora haja uma maior concentração de água livre do lado de fora da célula, o aumento da pressão de turgor no interior da célula balanceará essa diferença, possibilitando o equilíbrio da célula vegetal com a água pura. O estado de energia livre da água representa o seu potencial químico, que é, na verdade, a força que dirige o movimento da água nas plantas. Essa força é composta, pois, como visto, a osmose é dirigida por gradiente de concentração, como a difusão, e por gradiente de pressão, como o fluxo em massa. Por isso, na prática, essa força é expressa como gradiente de potencial químico ou, mais comumente, pelos fisiologistas de plantas, como gradiente de potencial de água.

Figura 1.6 Representação do osmômetro e de uma célula vegetal, utilizados para demonstrar a osmose. Movimento da água pela membrana semipermeável do osmômetro e da célula em resposta ao gradiente de potencial químico da água. Início da osmose após imersão do osmômetro (A) e de uma célula vegetal flácida (C) em um recipiente com água pura. Pressão aplicada acelerando o equilíbrio dinâmico entre o osmômetro e a água pura (B) e equilíbrio natural entre a célula e a água pura em decorrência da pressão de turgor desenvolvida no interior da célula pela absorção de água (D) (movimentos pela membrana em ambas as direções se igualam).

 

 

Potencial químico

Para melhor conhecer o potencial químico, já mencionado nos itens sobre difusão e osmose, são importantes algumas considerações a respeito de energia livre. Afinal, potencial químico é definido como a quantidade de energia livre por mol de qualquer substância.

Energia livre é a energia de um sistema qualquer que está disponível para realizar trabalho a temperatura e pressão constantes. Esse conceito, criado por Josiah Willard Gibbs e colaboradores entre 1876 e 1878, é muito importante para aplicação dos conhecimentos de termodinâmica nos estudos de relação água–planta e para as reações metabólicas. As células e, consequentemente, as plantas usam “energia livre” no seu funcionamento. Essa energia, conhecida como energia livre de Gibbs (G), define-se pela seguinte equação:

 

Em que:

• E: energia interna, correspondendo à energia potencial associada à

capacidade de um sistema realizar trabalho, também conhecida como

entalpia, uma importante parte da energia livre • PV: o produto da pressão (P) multiplicada pelo volume (V) • TS: produto da temperatura absoluta (T) multiplicada pela entropia (S).

Entropia diz respeito à desorganização do sistema, que sempre aumenta

para o universo como um todo, sendo influenciada pela temperatura.

Na equação básica de G (equação 1.2), a energia interna total (E), a temperatura e pressão constantes, é subtraída pelo fator de entropia (TS). No entanto, exceto para um sistema no zero absoluto (0 K ou –273°C), condição em que a entropia é considerada zero (sistema totalmente organizado), não existem maneiras de calcular valores absolutos para a entropia (S) e para a energia interna (E). Contudo, pode-se calcular a variação da entropia (ΔS) e da energia interna (ΔH) que ocorre em um sistema em relação aos seus circunvizinhos, em razão de vários processos químicos e físicos. Desse modo, a equação 1.2 pode ser simplificada para:

 

Em que ΔG, ΔH e ΔS são, respectivamente, as variações da energia livre, da energia interna ou entalpia e da entropia. T é temperatura absoluta.

Para estudar a quantidade de energia livre que um sistema qualquer tem para realizar trabalho, é conveniente considerar a energia livre da substância que constitui o sistema, em relação a alguma unidade quantitativa da substância, pois um grande volume de água tem mais energia livre que um pequeno, sob condições idênticas. Assim, Gibbs desenvolveu um conceito que combina energia livre com a quantidade da substância, chamado de potencial químico, simbolizado pela letra grega mi (μ). A quantidade definida é o mol, peso molecular em gramas. Logo, o potencial químico de uma substância é a energia livre parcial molal de Gibbs, o mesmo que energia mol–1, dessa substância dentro da solução. Esse potencial é considerado a força motriz para a realização de trabalho.

Pode-se definir potencial químico da água (μw) como a sua energia livre para realizar trabalho em um sistema aquoso, por mol de água. Como qualquer outra substância, a água move-se de uma região de maior para uma de menor potencial químico.

Não se tem como calcular um valor absoluto para o potencial químico, visto que é definido a partir da energia livre de Gibbs, que tem no seu conceito as também incalculáveis energia interna (entalpia) e entropia, como descrito anteriormente. Mas, também nesse caso, pode-se calcular a variação do potencial químico de um sistema em relação a outro, tornando-se esse potencial uma grandeza relativa.

 

Potencial de água

Mais facilmente quantificável como uma medida relativa, o potencial químico é expresso como a diferença entre o potencial químico de uma substância em um dado estado e o potencial químico da mesma substância em um estado-padrão; no caso da água, fica sendo a diferença entre o potencial químico da água em determinada condição (μ ) e o potencial w químico da água pura (μ* w), ou seja, μw – μ*w. Ainda que o valor de μw – m* seja mais facilmente medido, os fisiologistas de plantas simplificaram w

ainda mais, introduzindo o conceito de potencial de água, simbolizado pela letra grega psi em maiúsculo, ψ.

O potencial de água (ψ) define-se como a diferença do potencial químico da água em uma condição qualquer (μw) daquele da água líquida pura em estado-padrão, sob pressão atmosférica e mesma temperatura (μ* w), dividido pelo volume molal parcial (Vw), que é 18 cm3 ou 1 mol de água (18 cm3 mol–1 ou 18 × 10–6 m3 mol–1), considerado uma constante em faixas biológicas de temperatura e concentração, ou seja:

 

Considerando que o potencial químico é definido a partir da energia livre de Gibbs, também se pode considerar o potencial de água como a energia livre em 18 cm3 de água em um sistema qualquer menos a energia livre em 18 cm3 da água pura, em estado-padrão. Desse modo, o potencial de água, sendo uma grandeza relativa, expressará a capacidade de um sistema aquoso (p. ex., uma solução aquosa) realizar trabalho em comparação à capacidade de um mesmo volume de água pura, em estado-padrão.

A unidade de potencial químico, energia livre por mol, é inconveniente em discussões de relação água-célula e água-planta. É mais conveniente usar unidades de energia por unidades de volume. Essas medidas são compatíveis com unidades de pressão (muito convenientes) e foram obtidas a partir da definição do potencial de água quando se dividiu μ – μ* (erg w w mol–1) por V 3 –1 w (cm mol), pois 106 erg cm–3 = 1 bar = 105 Pa = 0987 atm. Bar, pascal e atmosfera são unidades de pressão. A unidade mais usada para expressar o potencial de água é megapascal (como definido anteriormente, 1 MPa = 10 bar = 9,87 atm). Na prática, é bem mais fácil medir mudanças de pressão que medir a energia requerida para movimentar a água.

Por definição, o ψ da água pura é zero, uma vez que o numerador da equação 1.3 μ – μ* é igual a zero. As medidas do potencial de água são w w

sempre comparadas a esse ψ igual a zero, que é o da água líquida e livre, à pressão atmosférica, à mesma temperatura do sistema sendo medido e a um nível zero para o componente gravitacional. Isso não quer dizer que a atividade química da água nessas condições seja também zero; diferentemente, ela é bastante alta, pois, quando pura, a água tem grande capacidade de reação. Tendo a água livre um ψ = 0, usado como referência, na maioria dos casos o ψ dentro das células das plantas é negativo, assim como em qualquer outra solução aquosa.

O ψ indica o quanto a energia livre de um sistema difere daquela do estado de referência. Essa diferença é a soma das forças do soluto (–π = ψπ), pressão (P = ψ ) e gravidade (ψ ) agindo sobre a água, ou seja, os principais p g

fatores que interferem no ψ das plantas são a concentração, a pressão e a gravidade, conhecidos, respectivamente, como potencial de soluto (ψs) ou potencial osmótico (ψ ), potencial de pressão (ψ ) e potencial gravitacional π p (ψg), denominados conjuntamente de componentes do potencial de água:

 

Por consequência, a água caminha em qualquer sistema, inclusive no sistema solo–planta–atmosfera, a favor de um gradiente de potencial de

água, ou seja, do maior para o menor ψ (Figura 1.7). Esse processo é marcado pela diminuição da energia livre, logo, é espontâneo.

 

Componentes do potencial de água

No item anterior, foi definido o potencial de água e mencionados três dos seus componentes: o potencial de pressão (ψp), o potencial osmótico (ψp) e o potencial gravitacional (ψ ). Esses componentes indicam os efeitos de g

pressão, solutos e gravidade, respectivamente, sobre a energia livre da água.

Figura 1.7 Movimento (indicado pela seta diagonal) de moléculas de água obedecendo a um gradiente de potencial de água (ψ). De –0,7 MPa para –3,7 MPa, aproximadamente.

 

 

Potencial de pressão

O potencial de pressão (ψp) representa a pressão hidrostática que difere da pressão atmosférica do ambiente, ou seja, uma vez que o ψ de referência (água pura) é considerado em pressão atmosférica, por definição, nessas condições, o ψ é igual a zero. A pressão positiva aumenta o ψ e a negativa p

o reduz. No que se refere à pressão hidrostática dentro das células, o ψp é em geral chamado de pressão de turgor e tem valor positivo. A pressão de turgor resulta da água que chega ao protoplasto, pressionando-o contra a parede celular, que resiste à expansão, e pode assumir valores semelhantes aos da pressão utilizada na calibragem dos pneus de um carro (aprox. 0,2 MPa) e também em encanamentos domésticos (0,2 a 0,3 MPa). Células com pressão de turgor são ditas túrgidas, e sem turgor, flácidas. A pressão de turgor é muito importante para a expansão celular, pois em órgãos com crescimento determinado, como folha, flor e fruto, é sabido que o tamanho das células pode ser dezenas ou centenas de vezes superior ao tamanho inicial. Além disso, o aumento da pressão de turgor provoca abertura floral e estomática e o seu decréscimo causa murchamento foliar e floral. Em plantas herbáceas, a pressão de turgor tem grande importância na manutenção do hábito ereto. Essa pressão é importante também no movimento das seivas tanto do xilema, como será visto ainda neste capítulo,

quanto do floema (ver Capítulo 6).

O ψp pode assumir valores negativos (conhecidos como tensão) quando a pressão está abaixo da atmosférica. Isso ocorre com frequência em elementos de vaso do xilema de plantas transpirando. Essas pressões negativas são muito importantes no movimento da água a longas distâncias pela planta, o que será visto mais adiante.

 

Potencial osmótico

Como já mencionado, o potencial osmótico é uma propriedade das soluções; portanto, prefere-se seu uso em comparação ao termo pressão osmótica. O potencial osmótico (ψ ) diz respeito ao efeito do soluto π dissolvido sobre o ψ; quando diluídos em água, os solutos reduzem a energia livre do sistema, ou seja, aumenta a desordem ou entropia do sistema. Em qualquer condição que não haja soluto, como água pura, o ψπ é máximo e igual a zero; isso significa que a presença de solutos reduzirá o ψ , que assumirá valores negativos. π

Sendo o componente produzido pelas substâncias dissolvidas nas células, o ψπ é uma resposta principalmente ao conteúdo dos vacúolos, característicos da maioria das células vegetais e que geralmente apresentam valores na faixa de –0,1 a –0,3 MPa. Para soluções “ideais” ou diluídas de substâncias não dissociáveis, o ψ pode ser estimado pela equação de Van’t π Hoff:

 

Em que R é a constante dos gases (8,314 J mol–1 K–1), T é a temperatura absoluta (em K) e cs a concentração do soluto na solução, expressa como osmolaridade (mols totais de soluto dissolvido por litro de água, mol L–1). O sinal negativo indica que os solutos reduzem o ψ da solução. Como exemplo, utilizando-se dessa equação, para uma solução de sacarose de 0,1 M a 20°C, o ψπ = –0,244 MPa. Para solutos iônicos que se dissociam em duas ou mais partículas, a c deve ser multiplicada pelo número de s

partículas dissociadas. Geralmente em estudos envolvendo células vegetais, considera-se que estas se comportam como soluções ideais.

 

Potencial gravitacional

Para o ψ, a contribuição do campo gravitacional é dada pelo ψg, que depende de ρ gh, em que ρ = densidade da água, g = aceleração pela w w

gravidade e h = altura. Não havendo força que a oponha, a gravidade possibilita que a água se mova para baixo.

O ψg tem sido quase sempre desprezado. A sua importância é insignificante dentro das raízes ou folhas, mas ele se torna significativo para movimentos de água em árvores altas. O movimento ascendente em um tronco de árvore deve vencer uma força gravitacional de aproximadamente 0,01 MPa m–1.

 

Potencial mátrico ou matricial

Sólidos ou substâncias insolúveis em contato com água pura ou solução aquosa atraem moléculas de água e diminuem o ψ. Esse componente é denominado potencial mátrico, que pode ser zero ou apresentar valores negativos, uma vez que diminui a energia livre da água. Em discussões de solos secos, sementes e paredes celulares, frequentemente se encontram referências a mais esse componente do ψ. O potencial mátrico (ψ ) é m particularmente importante em estágios iniciais de absorção de água pelas sementes secas (embebição) e quando se considera a água retida no solo. Existe também o componente matricial nas células (moléculas higrófilas; p. ex., proteínas), embora sua contribuição para o potencial de água seja relativamente pequena comparada à do ψπ.

Não obstante as considerações feitas, a equação completa incluindo todos os componentes que podem influenciar na quantidade de energia livre da água, ou seja, no ψ, é:

 

Movimento da água entre células e tecidos Os espaços dentro das células (citoplasma e vacúolos) são chamados de simplasto, enquanto os externos à membrana plasmática, de apoplasto. Quando a célula se encontra em equilíbrio, o ψ é o mesmo no vacúolo, no citoplasma e na parede celular. Entretanto, os componentes do ψ podem diferir marcadamente entre essas partes. Para a água no vacúolo e citoplasma (água no simplasto), os componentes dominantes são em geral o ψπ e ψπ, com o ψp tendo quase sempre valor positivo. No apoplasto que inclui a água nas paredes e no lume das células mortas, como elementos de vaso, traqueídes e fibras, o componente dominante é o ψ , com ψ e ψ p πm contribuindo para o ψ, sobretudo na região imediatamente adjacente à superfície carregada das paredes. Portanto, quando se estuda o transporte de água nas células vegetais, a equação 1.10 é em geral simplificada para:

 

Sendo o componente gravitacional (ψg) ignorado para distâncias verticais menores que 5 m.

Semelhante ao demonstrado com o osmômetro, os movimentos de entrada e de saída de água das células ocorrem por osmose. O comportamento osmótico das células pode ser facilmente visualizado com a imersão de uma célula vegetal em soluções com diferentes potenciais da água. Em um recipiente com água pura ou com solução aberta para a atmosfera, a pressão hidrostática da água é a mesma da pressão atmosférica (ψ = 0 MPa). No caso da água pura, o ψ = 0 MPa, logo o ψ = 0 MPa (ψ = p π