FOTOSSÍNTESEAULA 3

ENGENHARIA AGRONÔMICAIFTM - UBERLÂNDIA

Introdução

O termo fotossíntese significa, literalmente, síntese mediada pela luz.

• Hoje, este termo tem uma conotação mais abrangente, sendo o processo no qual os vegetais captam a energia

solar e a convertem em energia química estável.

• FOTOSSÍNTESE: consiste de um conjunto de reações através do quais o CO2, a água e a energia luminosa são transformadas em glicose (C6H12O6) e oxigênio é, portanto, nesse processo que a energia luminosa (radiante, eletromagnética) é transformada em energia química (ligação)

• 1. Fotossíntese• 2. Respiração

Movimento,Prod. Calor,Síntese de macromoléculas, etc.

• Equação da Fotossíntese

• Uma noção bem antiga da fotossíntese é a de que todo o oxigênio liberado provém do gás carbônico absorvido.

• Note que a equação acima não leva em consideração o fato de todo o O2 liberado provir da água. A equação da fotossíntese deve então ser escrita assim:6CO2 + 12H2O + luz C6H12O6 + 6O2 +

6H2O

CO2 + 2H2O + luz (CH2O) + O2 + H2O

Histórico – Conhecimentos sobre a

Fotossíntese

• GRÉCIA ANTIGA – acreditava-se que as plantas obtinham do solo e da água todas as substâncias necessárias ao seu crescimento;

• 1727 (STEPHAN HALES) – sugeriu que parte da nutrição das plantas dependia da atmosfera, tendo a luz papel importante;

• 1771 (JOSEPH PRIESTLEY) – realizou experimento com planta, rato e uma vela acesa. Concluiu que a vela produzia “flogisto” e que a planta era capaz de “desflogistar” o ar;

• 1779 (JAN INGEN-HOUSZ) – concluiu que a “purificação” do ar feita pelas plantas dependia da luz e só ocorria nas partes verdes da planta;

• 1779/80 (ANTOINE LAVOISIER) – esclareceu o fenômeno da combustão e, portanto, a consequente queda da teoria do flogisto;

• 1782 (JAN INGEN-HOUSZ & JEAN SENEBIER) – concluíram que o CO2 era a fonte de carbono para a formação da matéria orgânica vegetal;

• 1804 (NICHOLAS de SAUSSURE) – deu início aos experimentos quantitativos, concluindo que:o H2O também era reagente da fotossíntese;

o E que na presença da luz as plantas absorviam CO2 e liberavam O2 e no escuro acontecia o inverso;

• 1905 (BLACKMAN) – Estudando os efeitos da temperatura, da [CO2] e da intensidade luminosa sobre a fotossíntese, concluiu que ela consistia de duas reações:o Reações da luz – rápidas e independentes da temperatura (Reações

fotoquímicas);o Reações do escuro – lentas e dependentes da temperatura (Reações

bioquímicas).

• 1937 (ROBERT HILL) – demonstrou que preparações contendo fragmentos de folhas ou cloroplastos isolados podiam provocar liberação de O2 quando iluminados na presença de H2O e de um receptor artificial de elétrons (p. ex: oxalato férrico, cianeto férrico ou ferricianeto de potássio).

• Início da década de 1940 (ROBERT EMERSON) – propôs a existência de duas reações luminosas (existência de 2 fotossistemas) baseado nos experimentos da extinção do vermelho e da intensificação da fotossíntese.

Efeito Emerson (1940)

• O efeito de queda no vermelho. A produtividade quântica da fotossíntese (curva negra) cai drasticamente na luz vermelho-distante com comprimentos de onda superiores a 680 nm, indicando que a luz vermelho-distante sozinha é ineficiente para induzir a fotossíntese. A pequena queda nas proximidades dos 500 nm reflete a eficiência um pouco menor da fotossíntese utilizando a luz absorvida pelos pigmentos acessórios, carotenóides.

• Efeito de intensificação: A taxa de fotossíntese, quando luzes no vermelho e vermelho-distante são aplicadas em conjunto, é maior que a soma das taxas quando cada comprimento de onda é aplicado individualmente. Este efeito forneceu evidência essencial de que a fotossíntese é realizada por dois sistemas fotoquímicos trabalhando sequencialmente em conjunto, com pequena diferença em seus comprimentos de onda ótimos.

• ANDREW BENSON & MELVIN CALVIN (Prêmio Nobel de Química em 1961) – esclareceram as reações do escuro (bioquímicas), determinando:

• o receptor de CO2;

• o 1º composto formado na fotossíntese;• como ocorria a regeneração do receptor;• como ocorria a síntese de carboidratos,

aminoácidos, lipídeos.

• • Década de 1960: KORTSHAK (Hawai) / HATCH & SLACK (Austrália) – trabalhando com cana-de-açúcar, elucidaram o ciclo dos ácidos dicarboxílicos (plantas C4).

Cloroplastos• A fotossíntese ocorre em organelas

denominadas de cloroplastos, que se originam a partir de proplastídeos.

• Os proplastídeos são plastos pequenos, incolores, indiferenciados, geralmente presentes nas células meristemáticas (Figura).

• O desenvolvimento dos cloroplastos é iniciado com a exposição dos proplastídeos a luz.

• Simultâneamente ocorre o enverdecimento das plantas, resultado da síntese de clorofilas nos mesmo e dando origem aos cloroplastos.

• A clorofila aparece verde para nossos olhos porque ela absorve luz nos comprimentos de onda referentes ao vermelho e ao azul, na região visível do espectro, e a luz nos comprimentos de onda correspondente ao verde é refletida. Esta relação entre a absorção da luz e o comprimento de onda, é mostrada em gráficos conhecidos como espectro de absorção.

• O espectro de absorção de luz de alguns pigmentos é mostrado abaixo

PIGMENTOS• Nos processos fotobiológicos há sempre um pigmento

envolvido na absorção de luz (fotorreceptor), o qual deve estar acoplado à reação fotoquímica.

• Acontece que nos tecidos verdes existem vários pigmentos (clorofilas, carotenóides, antocianinas, etc.) que absorvem energia radiante na faixa fotofisiológica. Como, então, pode-se determinar quais os pigmentos envolvidos na fotossíntese?

Fazendo a comparação do espectro de absorção do pigmento com o espectro de ação da fotorresposta.

• Utilizando esta metodologia foi observado que o espectro de ação da fotossíntese coincide com os espectros de absorção dos carotenóides - carotenos e carotenóis (xantofilas) e das clorofilas a e b .

• Fato que levou à conclusão que estes são os pigmentos responsáveis pela absorção de luz na fotossíntese.

PIGMENTO Absorção de luz Máxima

(nm)

Ocorrência

Clor. a 430-660 Todas as Plantas superiores

Clor. b 453-643 Plantas superiores e algas verdes

α-caroteno (carotenos)

420-470 Plantas superiores e algumas algas

β-caroteno (carotenos)

425-480 Todas as Plantas superiores

Luteol (carotenóis)

425-475 Plantas superiores e algumas algas

Violaxantol (carotenóis)

425-475 Plantas superiores

Absorção de Luz pelos pigmentos

fotossintéticos• A luz proveniente do sol tem características tanto de onda como de

partícula. • A onda é caracterizada pelo seu comprimento e pela freqüência, sendo

que o comprimento de onda tem relação inversa com a energia.• A região do espectro de radiação solar, que pode ser absorvido pelas

plantas concentra-se entre 400 e 700nm que é a região do visível .• A radiação de onda curta (ultravioleta) é absorvida no topo da

atmosfera pelas moléculas de oxigênio e ozônio. A radiação de onda longa (infravermelho) é parcialmente absorvida pelo vapor de água e pelo CO2.

• Assim, a luz do sol é um espectro de raios de diferentes comprimentos de onda ou de diferentes freqüências. O espectro de absorção da clorofila indica e coincide aproximadamente com a região do espectro que é efetiva na fotossíntese. A efetividade de um processo com relação ao comprimento de onda produz um gráfico conhecido como espectro de ação

• Já a luz como partícula é conhecida como fóton .• Cada fóton contém um montante de energia conhecido como

quantum (plural quanta). A energia (E) de um quantum é diretamente proporcional à frequência da onda e inversamente proporcional ao seu comprimento.

• É importante destacar que um fóton não pode ser subdividido nem um elétron pode ser parcialmente excitado. Em outras palavras, “um fóton pode excitar apenas um elétron” (Lei de Einstein- Stark). O nível que o elétron no estado vai atingir depende da energia do fóton, ou seja, depende do comprimento de onda

• Para que a energia luminosa possa ativar o sistema fotossintético ela deve afetar a estabilidade química das moléculas envolvidas no processo, isto é, induzir uma diminuição da energia de ligação dos compostos e, consequentemente possibilitar uma reação química.

• Para isso a energia dos quanta precisa ser transferida para as moléculas a fim de torná-las excitada e reativa

• A absorção da luz é representada pela equação abaixo, na qual a clorofila no seu estado de menor energia (estado fundamental) absorve um fóton de luz e passa para um estado de maior energia (estado excitado):

chl + E = chl* (clorofila excitada)

• Em geral energia radiante na região do ultravioleta (>300nm) – pode causar destruição moléculas liberando radicais ou átomos livres.

• Comprimentos de onda acima de 800nm (infravermelho) são insuficientes para diminuir a estabilidade das ligações químicas e são, portanto, ineficientes. No processo de “colisão” do quanta com o átomo

• Absorção de energia pelos elétrons localizados nos orbitais mais externos – estado energético excitado

• Cada elétron possui quantidade de energia que é dependente: distancia do núcleo do átomo e rotação em torno do próprio eixo (elétrons em pares rotação em sentidos opostos – energia anulada)

• Excitados: mantém rotação em sentido oposto e molécula entra em processo de VIBRAÇÃO (curto tempo)

• Vibrações – perda de parte da energia como calor (ambiente) e emissão de radiação em comprimento de onda mais longo (fluorescência) – retorno ao estado estável. Pode ainda dissipar a energia por Ressonância

• Contudo PODE – perder energia através de conversões internas, ou seja, transferir o movimento vibracional de maneira intramolecular e causar inversão do sentido de rotação de um dos seus elétrons que passam a girar na mesma direção - ESTADO METAESTÁVEL - vida média mais longa (1 milissegundo x 15 nanossegundos).

• Volta do estado metaestável para o estável – fosforescência.

• A longa vida média do estado metaestável - propicia à molécula interagir com outra e transferindo energia por RESSONÂNCIA para participar de uma REAÇÃO FOTOQUÍMICA.

• É importante destacar que um fóton não pode ser subdividido nem um elétron pode ser parcialmente excitado. Em outras palavras, “um fóton pode excitar apenas um elétron” (Lei de Einstein- Stark). O nível que o elétron no estado vai atingir depende da energia do fóton, ou seja, depende do comprimento de onda

• A absorção da luz azul excita a clorofila para um estado de maior energia do que o vermelho excitaria, isto porque o azul tem menor comprimento de onda e, consequentemente, maior energia do que o vermelho.

• A clorofila excitada é extremamente instável e ela pode retornar para o estado fundamental através dos seguintes processos:

• 1. Fluorescência – Neste processo, a molécula de clorofila re-emite um fóton de luz e retorna para o seu estado fundamental. Neste caso, ocorre também perda de energia na forma de calor e o comprimento de onda fluorescente é sempre maior do que o da luz absorvida.

• 2. A molécula pode converter a energia na forma de calor, sem nenhuma emissão de fótons.

• 3. Transferência de energia – Neste caso, a molécula excitada transfere sua energia para outra molécula por ressonância induzida.

Ou pode ocorrer uma:• 4. Reação Fotoquímica – Neste processo a energia

do estado excitado é usada para impulsionar uma transferência de elétrons.

• Medições do RENDIMENTO QUÂNTICO (F) indicam que na maioria das moléculas de clorofila excitada predomina a reação fotoquímica (95%), contra 5% da fluorescência.

• O rendimento quântico é dado pela seguinte fórmula:

F = Número de produto formado/Número de quanta absorvido

• O inverso do rendimento quântico é chamado de REQUERIMENTO QUÂNTICO, ou seja, o número de quanta absorvidos dividido pelo número de produtos formados.

• Embora a eficiência fotoquímica seja alta, o rendimento quântico para os produtos da fotossíntese é baixo, o que se deve às perdas de energia ao longo de todo o processo. Para o O2, por exemplo, o rendimento quântico é aproximadamente igual a 0,1 (F = 0,1). Isto indica que cerca de 10 quanta são absorvidos para cada molécula de O2 liberada, ou seja, o requerimento quântico é igual a dez.

OS FOTOSSISTEMAS• As clorofilas a e b são os principais pigmentos

relacionados com a fotossíntese. Todas as clorofilas possuem uma estrutura em anel (porfirina) , contendo um Mg2+ no centro. Outra característica da molécula de clorofila é a longa cadeia carbônica hidrofóbica (fitol).

• As clorofilas são agrupadas espacial e estrategicamente para o desempenho da função fotoquímica

• O número mínimo de moléculas de clorofila envolvidas na absorção de 1 quantum é de 250 moléculas e representa a unidade fotossintética.

• A unidade fotossintética (fotossistema) é composta pela antena, pelo centro de reação e pelo aprisionador. Há dois tipos de aprisionador o P680 e o P700 e portanto dois fotossistemas envolvidos na captação de energia luminosa o PSI e o PSII.

• Efeito Emerson – Intensificação da eficiência quântica- Sistema com pigmentos para absorver comprimento de ondas relativamente mais curtos e outro mais longos

• PSII contém mais clorofila b que o PSI

Fotossistema I e II

Reações da Fotossíntese

• O processo fotossintético pode ser dividido em duas fases:o Fase de claro ou fotoquímica (dependente da luz)o Fase de escuro ou Bioquímica (independente da luz)

Fase Fotoquímica• A fase fotoquímica pode ser subdividida em

o Fotólise da águao Fotofosforilação Cíclicao Fotofosforilação Acíclica

• Na fase fotoquímica a energia luminosa é convertida em energia química a partir dos elétrons liberados na fotólise da água, liberando oxigênio e tendo como produtos intermediários o ATP e o NADPH.

• Os produtos da fase fotoquímica – ATP e NADPH – são utilizados na fase bioquímica.

Fase Fotoquímica• A fase Fotoquímica ou fase Clara é também conhecida como

“Reação de Hill”, pois seu mecanismo foi elucidado por Robert Hill em 1937.

• Nesse processo a luz promove a quebra da molécula de água (fotólise da água) liberando elétrons que serão transportados pelos diversos transportadores do PSI e PSII até o receptor final de elétrons (NADP). Esse composto também recebe H+.

• Quando a clorofila (Chl) é excitada o elétron libera-se do pigmento para circular por diversos transportadores, sempre de um potencial energético mais alto para um potencial energético mais baixo.

• Isso ocorre devido a eletroafinidade, isto é, se movimenta de um potencial redox menor (capacidade de receber elétrons) para um potencial redox maior.

• Ao perder o elétron, a chl fica oxidada e para ser reduzida precisa receber elétron um novo elétron a partir da fotólise da água.

• Todas as etapas que constituem as reações dependentes de luz são realizadas por quatro complexos protéicos: fotossistema II (PS II), complexo protéico do citocromo b6f, fotossistema I (PS I) e ATP sintase. Estes complexos possuem proteínas transmembranares orientadas vetorialmente nas membranas dos tilacóides, de modo que a H2O é oxidada a O2 no lúmem do tilacóide, NADP+ é reduzido para NADPH no lado estromal e ATP é liberado no estroma pelo movimento de H+ do lúmem para o estroma.

• Nas reações fotoquímicas pode se distinguir dois tipos de fluxos de elétrons: fluxo não cíclico e fluxo cíclico.

• O fluxo de elétrons não cíclico inicia-se no fotossistema II (PS II). A luz excita a molécula de clorofila (P680) no centro de reação, o que a torna um forte agente redutor. Este centro de reação pode, então, transferir um elétron para uma molécula aceptora.

• Estudos indicam que a ferredoxina, plastoquinona, citocromos e plastocianina são transportadores entre o PSII e PSI.

• A fotofosforilação acíclica é conhecida como “Esquema Z”.

Reação de HillFotofosforilação

Acíclica

• Os prótons liberados na fotólise da água concentram-se no interior dos tilacóides (lúmen) estabelecendo-se um gradiente protônico entre o meio interno e o meio externo. Esse gradiente de cargas é condição para que ocorra a fosforilação do ADP gerando ATP.

 • Os elétrons ativados em cada fotossistema e

transferidos na fotofosforilação acíclica são obtidos na fotólise da água.

• Para cada 2 moléculas de água fotolisadas são formados 2H+ e 2OH-. Estas oxidrilas perdem elétrons para o fotossistema II. Os grupamentos OH são instáveis e formam uma molécula de água e meia molécula de O2.

2H2O O2 + 4H+ + 2e-

2OH- 2e- + [2 OH][OH + OH] H2O + 1/2 O2

•  

• Cada vez que um elétron passa de um transportador para outro parte da energia é usada para a síntese de ATP e parte é perdida na forma calorífica, fato responsável pelo aumento da temperatura da folha.

• Parte desse calor é dissipado através da transpiração das plantas, pois, cada um grama de água líquida transformado em vapor de água são dissipados 540 calorias de energia calorífica.

• Cada elétron que chega ao PSI é ativado por um fóton de luz solar. Mais uma vez são transferidos os elétrons de um alto nível energético para um baixo nível energético (de um baixo potencial redox para um alto potencial redox - eletroafinidade). Da clorofila o elétron passa para a ferredoxina e finalmente para a molécula de NADP formando o NADPH.

• O NADP além de receber dois elétrons, também se liga a um H+ também originado da fotólise da água. O outro H+ fica livre na membrana promovendo uma diferença de pH necessário a formação de ATP.

H2O 1/2O2 + 2H+ + 2e-

2H+ + 2e- + 4 fótons ATP + NADPH

• Este ATP e NADPH, produzidos na fase fotoquímica são denominados de “princípio assimilador”, condição para que ocorra a conversão do CO2 em açúcar no estroma.

• No entanto, para cada CO2 assimilado, são necessários 3ATPs e 2NADPH.

• Por extensão, para cada 6CO2, assimilados para formar uma molécula de hexose, são necessários 18ATP e 12NADPH (12ATP e 12NADPH ).

 • Para a produção desses ATPs suplementares (6ATPs),

ocorre a fosforilação cíclica

• Por falta de ATP no estroma paralisa-se a assimilação de CO2, sobrando o NADPH. Por essa razão não vai existir NADP como receptor final de elétrons na fosforilação acíclica.

• Como consequência os elétrons são transferidos pela ferridoxina à plastoquinona, seguindo a via até o PSI. os elétrons são novamente ativados e enquanto não houver NADP disponível para recebe-los, vai ocorrendo fosforilação CÍCLICA.

• Para cada fóton de energia luminosa absorvida pelo PSI e realizada uma volta de elétrons, é formado 1 ATP.

• Depois de 6 voltas na fosforilação cíclica, são formados os 6 ATPs que estavam faltando e somados com os 12 ATPs completam 18ATPs.

• Em seguida há a síntese de hexose e é regenerado o NADP que passa a ser receptor final de elétrons, retomando a fotofosforilação acíclica.

• Note-se que enquanto houver a fosforilação cíclica NÃO haverá fotólise da água, pois o mesmo elétron é transferido entre os diversos transportadores, nessa fase não há liberação de oxigênio para o meio.