Fotossíntese

josé

A fotossíntese é o principal processo autotrófico e é realizada pelos seres clorofilados, representados por plantas, alguns protistas, bactérias fotossintetizantes e cianobactérias.

Na fotossíntese realizada pelos seres fotossintetizantes, com exceção das bactérias, gás carbônico (CO2) e água (H20) são usados para a síntese de carboidratos, geralmente a glicose. Nesse processo há a formação de oxigênio (O2), que é liberado para o meio.

A fotossíntese realizada pelas bactérias fotossintetizantes difere em muitos aspectos da realizada pelos demais organismos fotossintetizantes, como veremos a seguir.
A fórmula geral da produção de glicose pela fotossíntese dos eucariotos e cianobactérias é:

6 CO₂ + 12 H₂O      C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

Essa equação mostra que, na presença de luz e clorofila, o gás carbônico e a água são convertidos em uma hexose – neste exemplo, a glicose - havendo liberação de oxigênio.

VANTAGENS: SURGIMENTO DOS SERES AERÓBICOS, CAMADA DE OZÔNIO, SERES TERRESTRES.

Os seres fotossintetizantes são fundamentais para a manutenção da vida em nosso planeta, pois são a base da maior parte das cadeias alimentares e produzem oxigênio, gás mantido na atmosfera em concentrações adequadas graças principalmente a atividade fotossintética.

Origem do oxigênio e fotossíntese bacteriana

O oxigênio liberado pela fotossíntese realizada pelos eucariontes e pelas cianobactérias provém da água, e não do gás carbônico, como se pensava antigamente.
O primeiro pesquisador a propor isso foi Cornelius Van Niel, na década de 1930, quando estudava bactérias fotossintetizantes. Ele verificou que as bactérias vermelhas sulfurosas (ou tiobactérias púrpuras) realizavam uma forma particular de fotossíntese em que não havia necessidade de água nem formação de oxigênio. Essas bactérias usam gás carbônico e sulfeto de hidrogênio (H₂S) e produzem carboidrato e enxofre.
Van Niel escreveu, então, a fórmula geral da fotossíntese realizada por essas bactérias:

Fotossíntese bacteriana (SULFOBACTÉRIAS)

6 CO₂+ 12 H₂S      C6H12O6 + 6 H₂O + 12S

Foi a compreensão desse processo de fotossíntese que levou o pesquisador a propor a equação geral da fotossíntese:

6 CO₂+ 12 H₂A     C6H12O6 + 6H₂O + 6A

Essa equação mostra que H₂A pode ser a água (H₂O) ou o sulfeto de hidrogênio (H₂S) e evidencia que, se for água ela é a fonte de oxigênio na fotossíntese.

Essa interpretação foi confirmada posteriormente, na década de 1940, por experimentos em que pesquisadores forneciam às plantas água cujo oxigênio era de massa 18 (O¹⁸, isótopo pesado do oxigênio) em vez de 16 (O¹⁶), como o oxigênio da água comum. Eles verificaram que o oxigênio liberado pela fotossíntese era o O¹⁸, corroborando a interpretação de Van Niel. 

DICAS ; Ficou comprovado, então, que o oxigênio liberado durante a fotossíntese dos eucariontes e das cianobactérias provém da água e não do gás carbônico.

O pulmão do mundo
Até pouco tempo, acreditava-se que a região amazônica era a grande responsável pela manutenção dos níveis de oxigênio da terra, sendo popularmente chamada de ‘pulmão da terra’. Porém, recentes pesquisas descobriram a existência de um novo “pulmão”: as algas marinhas. Apesar de se apresentar nas cores verdes, azuis, marrons, amarelas e vermelhas, todas as algas possuem clorofila e fazem fotossíntese. Como são muito numerosas, que se atribui a sua fotossíntese a maior parte de oxigênio existente no planeta.
FATORES QUE INTERFEREM NA FOTOSSÍNTESE:

1 – PIGMENTOS

Os pigmentos relacionados à fotossíntese são as clorofilas e os carotenoides. As clorofilas possuem coloração verde-azulada e os carotenoides têm cor alaranjada mas normalmente são mascarados pelo verde da clorofila. Existem dois tipos de clorofila: a e b. A clorofila "a" ocorre em todos os organismos clorofilados, possui cor verde-azulada e absorve luz na região próxima ao azul e ao violeta. A clorofila "b" é considerada um pigmento acessório, juntamente com os carotenóides e possui cor verde. As plantas de sombra possuem maior quantidade de clorofila "b" em relação à "a". A clorofila "b" não faz conversão de energia, após absorver luz, transfere para a clorofila "a" a energia captada do fóton para que ela faça a conversão. As clorofilas c e d estão nos vegetais coloridos (algas).

2 - LUZ

Para que a fotossíntese se inicie, os pigmentos precisam absorver um fóton. As moléculas de clorofila se organizam em uma unidade fotossintética.

Quando um pigmento absorve um fóton, a energia dele é totalmente transferida para a molécula, afetando sua estabilidade e excitando-a. Após um curto período de excitação (aproximadamente 15 nanosegundos para a clorofila a), a molécula dissipa sua energia na forma de radiação, porém menos energética que inicialmente, pois parte da energia da molécula foi perdida enquanto ela estava excitada. Entretanto a molécula pode perder sua energia através de conversões internas, tendo uma vida média mais longa e emitindo uma radiação com comprimento longo de onda, porém menos energético. Neste processo, a molécula excitada pode interagir com outra molécula, fazendo trocas de energia. Quando uma molécula de clorofila b ou carotenoide absorve um quantum a energia é transferida para a clorofila a. Normalmente há uma cooperação entre as moléculas de clorofila, aumentando a eficiência da fotossíntese.

DICAS: Em uma unidade fotossintética há o pigmento aprisionador, ou molécula aprisionadora, onde a energia irá se concentrar após ter passado por várias outras moléculas, e as outras moléculas são chamadas de antenas pois captam as radiações e as transferem para um único ponto.

3 - FOTOSSISTEMAS

Dois cientistas chamados Emerson e Arnold trabalharam com uma alga chamada Chlorella e a expuseram em uma intensidade luminosa próxima à 700 nm (vermelho) e verificaram que isso provocava uma grande queda na eficiência quântica, contrariando a ideia que a clorofila a absorve quanta em comprimento de onda próximo à 700 nm. Emerson e col. utilizaram dois diferentes comprimentos de onda e verificaram que haviam dois sistemas fotossintéticos, pois, separadamente para cada intensidade luminosa havia uma resposta e quando os dois feixes monocromáticos foram colocados juntos (700 e 710 nm) aumentou a eficiência da fotossíntese. Um dos sistemas possuía um sistema aprisionador para comprimentos de onda curtos e o outro sistema para ondas longas. Estudos subsequentes explicaram o processo que o corre. Nos dois fotossistemas há clorofila a e b, porém em proporções diferentes. Enquanto o fotossistema 1 tem mais clorolfila a, o fotossistema 2 tem mais clorofila b.

TEMPERATURA

As reações na região limitada pela luz não são sensíveis à temperatura. Em condições ideais de luminosidade e concentração de gás carbônico a taxa de fotossíntese tende aumentar conforme a temperatura aumenta, porém quando esta fica muito alta, pode causar danos para a fotossíntese e para a planta.

 

GÁS CARBÔNICO

Em regiões limitadas pela luz, se acrescentarmos mais gás carbônico podemos perceber um aumento na taxa de fotossíntese. A concentração deste gás na atmosfera varia entre 0,03 a 0,04% e isso não é suficiente para a planta utilizar na fotossíntese. Por isso o CO2 é considerado fator limitante da fotossíntese. Chamamos de ponto de compensação de CO2 o momento em que o consumo de gás carbônico na fotossíntese equivale ao liberado pela planta na respiração e varia conforme a espécie considerada.

ETAPAS DA FOTOSSÍNTESE

1 – ETAPA CLARA OU FOTOQUÍMICA – LOCAL (TILACÓIDES)

 

A - Fotofosforilação acíclica

 

A fotofosforilação acíclica utiliza os dois fotossistemas e tem início quando a clorofila P680 é excitada e doa um elétron para um aceptor Q do grupo das plastoquinonas. Esse poder oxidante da clorofila a provoca a fotólise da água. A reação ocorre com 2 moléculas de água, que tem 4 elétrons captados por 4 moléculas de clorofila a. Como resultado desta reação temos a produção de 1 molécula de gás oxigênio e 4 íons de H+. O ATP produzido durante a fotossíntese é resultado da fotólise da água, que gera um gradiente de prótons na membrana do tilacóide.

2H₂O -> 2OH- = H2O + ½ O2

O aceptor Q transfere seu elétron para a plastoquinona, porém antes passa por aceptores, liberando de forma gradativa sua energia para bombear os íons H+ presentes no estroma para o lúmen do tilacóide. O elétron desta molécula é transportado por uma série de transportadores e o resultado deste processo é a redução do NADP⁺ à NADPH, enquanto ocorre a oxidação da P700.

2H2O + NADP⁺ -> NADPH + H = NADPH2

Fotofosforilação cíclica

ADP + Pi -> ATP
luz
cloroplastos

Os dois fotossistemas trabalham juntos, porém o fotossistema 1 pode atuar de forma independente, mas sozinha ele só trabalha para a produção de ATP para o metabolismo celular. Ao invés de ser transferido para o NADP⁺ o elétron emitido pela P700 excitada vai para ferredoxina e para a cadeia transportadora (plastoquinona) de elétrons, promovendo a produção de ATP. Os aceptores da cadeia transportadora são chamados de citocromos.

2 - ETAPA ESCURA, CICLO DE CALVIN, CICLO DAS PENTOSES E ETAPA DE BLACKMANN. LOCAL – ESTROMA

Os compostos que compões a matéria orgânica são produzidos através da fixação do gás carbônico da atmosfera pelos organismos fotossintetizantes.

Melvin Calvin elucidou a via do ciclo do carbono na fotossíntese e esse processo recebeu o nome de Ciclo de Calvin. O ciclo da redução do carbono é muito parecido com os outros ciclos, uma vez que o composto inicial é regenerado a cada volta no ciclo.

Nessa fase, a energia contida nos ATP e os hidrogênios dos NADPH₂, serão utilizados para a construção de moléculas de glicose. A síntese de glicose ocorre durante um complexo ciclo de reações (chamado ciclo das pentoses ou ciclo de Calvin-Benson), do qual participam vários compostos simples.
Durante o ciclo, moléculas de CO₂ unem-se umas as outras formando cadeias carbônicas que levam à produção de glicose. A energia necessária para o estabelecimento das ligações químicas ricas em energia é proveniente do ATP e os hidrogênio que promoverão a redução dos CO₂ são fornecidos pelos NADPH₂.

O Ciclo de Calvin

O ciclo começa com a reação de uma molécula de CO₂ com um açúcar de cinco carbonos conhecido como ribulose monofosfato.

Forma-se, então, um composto instável de seis carbonos, que logo se quebra em duas moléculas de três carbonos (2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico ou 3-fosfoglicerato, conhecidas como PGA). O ciclo prossegue até que no final, é produzida uma molécula de glicose e é regenerada a molécula de ribulose monofosfato.

Note, porém, que para o ciclo ter sentido lógico, é preciso admitir a reação de seis moléculas de CO₂ com seis moléculas de ribulose difosfato, resultando em uma molécula de glicose e a regeneração de outras seis moléculas de ribulose difosfato.

DICAS : A redução do CO₂ é feita a partir do fornecimento de hidrogênios pelo NADH₂ e a energia é fornecida pelo ATP. Lembre-se que essas duas substâncias foram produzidas na fase clara. 

É correto admitir, também, que o ciclo origina unidades do tipo CH₂O, que poderão ser canalizadas para a síntese de glicose, sacarose, amido e, inclusive, aminoácidos, ácidos graxos e glicerol.

PONTO DE COMPENSAÇÃO FÓTICO