Apostila 10 - Fotossíntese - Carboxilação

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FIXAÇÃO DE CO2
 
A fixação do CO2 atmosférico em compostos orgânicos (carboidratos) 
ocorre em todos os tecidos que contêm cloroplastos. Esta fase é independente 
de luz, embora necessite dos produtos das reações fotoquímicas (NADPH e 
ATP). Existem três grupos principais de plantas, dependendo da maneira como 
o CO2 é fixado: as C3, C4 e CAM. 
 
PLANTAS C3 
 
A imensa maioria das plantas pertence a este grupo. Elas fixam carbono 
através do processo cíclico denominado Ciclo de Calvin-Benson- ou Ciclo da 
Redução Fotossintética do Carbono. Este ciclo ocorre no estroma dos 
cloroplastos e consiste de 3 fases principais: carboxilação, redução e 
regeneração. 
FASE DE CARBOXILAÇÃO: envolve a adição de CO2 e H2O à RuBP (ribulose 
bisfosfato), um açúcar de 5C, para formar 2 moléculas de 3-PGA. Esta reação 
é altamente favorecida pois a energia livre é de -51kJ/mol. 
A enzima que catalisa a reação é a RUBISCO (RuBPcarboxilase-
oxigenase). O CO2 combina-se com a RuBP. Forma-se um composto instável 
(2-carboxil-3-cetoarabinitol-1,5-bisfosfato), que não chega a sair do centro ativo 
da enzima. Este passo requer Mg+2 como co-fator. Esse composto instável é 
depois hidrolisado pela água. 
 
 
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A RUBISCO é funcional em praticamente todos os organismos 
fotossintetizantes, com exceção de bactérias fotossintetizantes. É a proteína 
mais abundante na Terra. Os cloroplastos contêm a metade da proteína total 
das folhas e ¼ a ½ deste valor é RUBISCO (1/8 a 1/4 da proteína total em 
folhas). A concentração de RUBISCO no estroma é 4 mM, cerca de 500 vezes 
maior do que seu substrato CO2. A enzima consiste de 8 subunidades grandes 
(L) catalíticas com cerca de 55 kDa cada e 8 subunidades pequenas (S) com 
cerca de 14 Kda cada. A massa molecular total é de 560 kDa. O genoma do 
núcleo codifica para subunidade menor (regulada pelo fitocromo) e o genoma 
do cloroplasto para subunidade maior. 
 
FASE DE REDUÇÃO: Parte do ATP produzido nas reações fotoquímicas é 
gasto para fosforilar o 3-PGA convertendo-o em 1,3-bisPGA. A seguir o grupo 
carboxila do 3-PGA é reduzido para um grupo aldeído em 3-PGAld (3-
fosfogliceraldeído) utilizando-se o poder redutor do NADPH, também produzido 
nas reações fotoquímicas. 
 
FASE DE REGENERAÇÃO. É nesta fase que ocorre a regeneração da RuBP. 
Esta fase é complexa e envolve a formação e interconversão de açúcares 
fosforilados de 4C, 5C, 6C e 7C. 
Para formar uma glicose (produto primário da fotossíntese) são 
necessárias 2 voltas no ciclo, cada uma utilizando 03 RuBPs. Como o substrato 
(RuBP) é regenerado no final do ciclo, diz-se que este é um ciclo autocatalítico. 
 
 
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Duas voltas completas com 6 RuBP rendem: 
6 CO2 + 11 H2O + 12 NADPH + 18 ATP frutose-6P + 12 NADPP+ + 
6 H+ + 18 ADP + 17 Pi. 
Por que a necessidade de 11 moléculas de H2O? Porque são necessárias 06 
moléculas para carboxilação, 03 para retirar fosfato da frutose (2 no ciclo e 1 na 
formação de glicose) e 02 para retirar fosfato da sedoheptulose 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Gurevitch, Scheiner e Fox 2009 
 
‘A eficiência termodinâmica da fotossíntese para conversão da hexose é 
de 33%, pois a energia mínima para conversão é 8400kJ, mas o armazenado é 
apenas 2804kJ. A maior perda da energia luminosa é durante a geração de 
ATP e NADPH na fase fotoquímica. Mas se considerarmos somente o ciclo de 
Calvin em relação ao NADPH e ATP, a eficiência é de 90%, pois a energia livre 
destes dois compostos é de 3126 kJ, sendo que 83% da energia vem do 
NADPH. 
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Por que o Ciclo de 
Calvin só funciona durante o 
dia? A resposta para esta 
pergunta está na ativação das 
enzimas do ciclo. Quatro das 
enzimas são reguladas pelo 
sistema ferredoxina-
tiorredoxina, que só funciona 
em luz: NADP:Gald 
desidrogenase; frutose 1,6 
BisP fosfatase; sedoheptulose 
1,7 BisP fosfatase e ribulose 
5P quinase. Taiz e Zeiger 2004
 
A atividade da RUBISCO aumenta em luz, mas os sistema ferridoxina-
tioredoxina não funciona para esta enzima. O mecanismo de ativação da 
RUBISCO envolve a ação da RUBISCO ativase, que gasta ATP para retirar a 
RuBP ligada ao sítio catalítico da enzima da forma descarbamilada e inativa da 
RUBISCO. Depois a enzima é ativada pela formação de um compleo 
carbamato-Mg+2 –enzima na presença da luz, liberando 2 H+ elevando o pH do 
estroma e acúmulo de Mg+2, mediadores da ativação enzimática. O efluxo de 
H+ do estroma para o lúmen acoplado ao aumento de Mg+2 causa alteração de 
pH de 7 para 8. Em pH 8 algumas enzimas do Ciclo são ativadas ou aumentam 
sua atividade: RUBISCO, Frutose fosfatase e Ribulose quinase. 
 
Taiz e Zeiger 2004 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Taiz e Zeiger 2002 
 
PLANTAS C4 
 
Além da Via C3 de fixação de CO2, existe outro caminho, a rota C4, 
descoberta em cana-de-açúcar. Nessa rota ocorre dupla carboxilação e divisão 
espacial de trabalho. A primeira carboxilação ocorre nas células do mesofilo e a 
segunda nas células da bainha vascular (BV). Neste ciclo o CO2 é fixado em 
compostos ácido orgânicos de 04 carbonos (ácido málico ou ácido aspártico) 
no mesofilo, a seguir estes compostos vão para a BV e são descarboxilados. O 
CO2 é refixado pela RUBISCO ciclo de Calvin. Como primeiro produto 
acumulado nesta via não é o 3-PGA e sim ácido orgânicos de 04 carbonos ass 
plantas que fixam CO2 por esta via são conhecidas como C4. Existem algumas 
que são intermediárias C3 - C4 (apresentam transição evolutiva entre C3 e C4). 
Existem mais de 1000 espécies de angiospermas C4, distribuídas em 
aproximadamente 11 famílias. Destas, a maioria são monocotiledôneas, 
especialmente as gramíneas, como milho, cana-de-açúcar e sorgo. Entre as 
dicotiledôneas, já foram identificadas mais de 300 C4. Nos grupos das 
gimnospermas, briófitas e algas não existe um único representante C4. E 
quase a totalidade das pteridófitas é C3, com raríssimas exceções. 
As espécies C4 possuem dois tipos de células envolvidas no processo, 
com características diferenciadas: as células do mesofilo e as da bainha 
vascular. As células do mesofilo foliar possuem cloroplastos completos (com 
muitas grana, lamela intergrana e sem amido) e uma alta concentração da 
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PEPC no citoplasma. Já as características das células da bainha vascular 
variam dependendo da enzima de descarboxilação. 
As espécies que utilizam a enzima málica dependente de NADP (Tipo 
NADP-ME) possuem cloroplastos grandes, com poucas grana e amido. Os 
cloroplastos estão na posição centrífuga. O estroma dos cloroplastos é igual 
aos das células do mesofilo, contendo todas as enzimas do Ciclo de Calvin, 
além daquela de descarboxilação de malato. Não apresenta PEPC no citosol. 
As espécies que utilizam a enzima málica dependente de NAD (Tipo 
NAD-ME) possuem cloroplastos grandes, com grana e amido. Os cloroplastos 
estão na posição centrípeta. O estroma dos cloroplastos é igual aos das células 
do mesofilo, contendo todas as enzimas do Ciclo de Calvin, além daquelas de 
descarboxilação de malato. Não apresenta PEPC no citosol. 
As espécies que utilizam a enzima PEP carboxiquinase (Tipo PEP-CK) 
possuem cloroplastos maiores, com grana e amido. Os cloroplastos estão na 
posição centrífuga. O estroma dos cloroplastos é igual aos das células do 
mesofilo, contendo todas as enzimas do Ciclo de Calvin, além daquela de 
descarboxilação de OAA. Não apresenta PEPC no citosol. 
 
Ragavendra 2000 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O processo começa no citoplasma com a incorporaçãodo CO2, na 
forma HCO3-, no fosfoenolpiruvato (PEP) pela enzima primária de carboxilação, 
fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC). A reação de fixação catalisada pela 
PEPC é irreversível e o produto é o ácido oxaloacético (OAA), transformado 
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rapidamente a malato ou a aspartato. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A PEPC representa de 10 a 15% da proteína total nas folhas e ocorre 
no citosol, fora de qualquer organela e requer Mg+2 para sua atividade. Esta 
enzima não apresenta nenhuma afinidade por O2. Além disso, a PEPC é muito 
mais eficiente na captação de CO2 atmosférico (pois tem um Km de 5μM) do 
que a RUBISCO, que tem uma Km em torno de 20μM. Lembre que a 
concentração de CO2 é de cerca de 1,3μM, assim a RUBISCO funciona bem 
abaixo de sua capacidade máxima. 
 
Há 3 tipos principais de plantas C4, classificadas de acordo com a 
enzima de descarboxilação. (Lembre-se que as reações de fixação que 
ocorrem em nível de células do mesofilo são idênticas para todos os tipos): 
 
1. TIPO NADP-ME (enzima málica que requer NADP+): A conversão de OAA 
em malato é catalisada pela MAL-DH (malato desidrogenase) É o tipo mais 
comum. Neste tipo o malato é o substrato para descarboxilação, na BV. 
Como a MAL-DH é uma enzima dos cloroplastos, o OAA deve se 
mover do citosol das células do mesofilo para os cloroplastos para ser 
convertido em malato. O transporte ocorre por antiporte: o OAA entra e o MAL 
sai, via carregador, em direção aos cloroplastos da bainha vascular. 
Os cloroplastos da BV não são completos (não possuem FSII, pois não 
possuem grana) e por isso não produzem NADPH. O NADPH necessário para 
as reações de conversão do OAA em malato e para a fase de redução do Ciclo 
de Calvin é fornecido pelos cloroplastos das células do mesofilo. 
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MAL + NADP PYR + CO2 + NADPH 
 
2. Tipo NAD-ME (enzima málica, que requer NAD). Neste tipo acumula-se 
aspartato. A formação de aspartato ocorre no citosol. Requer o aminoácido 
alanina, que doa o grupo amino. Ou seja, envolve uma reação de 
transaminação. Na BV o aspartato é desaminado a OAA, que se transforma em 
malato. O malato é então descarboxilado pela enzima NAD-ME. 
 
MAL + NAD+ PYR + CO2 + NADPH 
 
3. Tipo PEP-CK (enzima PEP-carboxiquinase). Neste tipo acumula-se 
aspartato. A formação de aspartato ocorre no citosol. Requer o aminoácido 
alanina, que doa o grupo amino. Ou seja, envolve uma reação de 
transaminação. Na BV o aspartato é desaminado a OAA. O OAA é o substrato 
para descarboxilação. 
 
OAA + ATP PEP + CO2 + ADP 
 
O CO2 liberado nos cloroplastos das células da BV, entra no Ciclo de 
Calvin, e é incorporado em carboidratos, para os três tipos de plantas C4. 
 
As plantas C4 provavelmente se desenvolveram provavelmente por 
limitação hídrica. As plantas C4 podem fechar parcialmente os estômatos, 
diminuindo a transpiração e conservando água sem diminuir a taxa de 
fotossíntese (sistema altamente eficiente). 
O efeito do Ciclo C4 é converter uma solução diluída de CO2 no 
mesofilo em uma solução concentrada na BV. Mas há um custo energético 
para isto. Estas plantas utilizam 5 ATP e 2 NADPH por CO2 fixado, contra 3 
ATP e 2 NADPH das C3. A taxa fotossintética deve ser mais alta nas C4, por 
isso elas crescem melhor em ambientes tropicais, quentes e com muita luz. 
 
 
 
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Gurevitch, Scheiner e Fox 2009
 
As plantas C4, a exemplo 
das C3, só fixam CO2 durante o dia, 
pois a atividade das enzimas chave 
é dependente de luz. A NADP 
malato DH é regulada via sistema 
tioredoxina do cloroplasto. A PEP 
carboxilase é ativada por um 
mecanismo de fosforilação-
desfosforilação dependente da luz e 
a PIR diquinase é rapidamente 
inativada por fosforilação da enzima 
dependente de ADP, sob baixa 
densidade de fótons e ativada pela 
clivagem fosforolítica deste grupo 
fosfato. 
Buchannan 2000 
 
 
 
 
 
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PLANTAS CAM 
 
Neste grupo estão as plantas adaptadas a ambientes estressantes 
como seca, alta salinidade ou com baixo suprimento de CO2, como em 
algumas plantas vasculares aquáticas. Essa pressão seletiva foi o motor para o 
estabelecimento de um sistema alternativo de fixação de CO2. O metabolismo 
ácido das crassuláceas (CAM) ocorre em cerca de 33 famílias de 
angiospermas, incluindo as crassuláceas, cactáceas, orquidáceas, 
bromeliáceas, liliáceas, euforbiáceas entre outras. Sua característica mais 
marcante é a presença de vacúolo grande, com alta capacidade de estocar 
água (suculência), onde ácidos orgânicos de 4 carbonos são armazenados 
(malato ou citrato). Outras características morfológicas e anatômicas 
importantes para minimizar a perda de água são cutículas grossas, baixa razão 
entre superfície e volume, células grandes e estômatos de tamanho reduzidos 
ou baixa freqüência (Cushman 2001). 
Essas plantas mantêm os estômatos fechados durante o dia (para 
evitar transpiração excessiva e conservar água) e abrem à noite, quando 
ocorre a entrada de CO2. 
O CO2 é incorporado 
ao PEP, à noite, via PEPC, 
formando OAA, que é 
transformado em malato pela 
MAL-DH. O malato vai para o 
vacúolo e permanece 
armazenado até o dia 
seguinte. No dia seguinte, os 
estômatos fecham e o malato 
sai do vacúolo e entra no cloroplasto. O malato é então descarboxilado a 
piruvato, pela PIRdiquinase. O CO2 liberado entra no Ciclo de Calvin e forma 
glicose. A glicose é polimerizada para formar amido. Estas plantas possuem 
uma grande reserva de amido nos cloroplastos, durante o dia. O piruvato se 
transforma em PEP, sendo que duas moléculas de PEP formam glicose, que 
também será transformada em amido. 
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Por que a PEP carboxilase funciona durante o dia nas C4 e durante à 
noite nas CAM? 
Taiz e Zeiger 2004
Em primeiro lugar são 
isoformas diferente, que 
respondem a sinalizadores 
diferentes. O microambiente 
para ação dessa enzima nas 
CAM varia diariamente, em 
resposta o seu comportamento 
também varia. Assim podemos 
identificar duas configurações da PEPC, a noturna e a diurna. Ã noite, quando 
a temperatura está mais baixa, está ocorrendo acúmulo de malato, quebra de 
amido e aumento da acidez das células, a enzima PEPC PEPquinase fosforila 
a PEPC que se torna insensível ao malato. Durante o dia, quando a 
temperatura está mais alta, ocorre acúmulo de amido, queda nos níveis de 
malato e aumento do pH das células, a enzima fosfatase desfosforila a PEPC, 
que é inibida por malato. As duas são interconvertidas via fosforilação. 
Normalmente a fotossíntese CAM apresenta 04 fases. Na fase I, que 
ocorre à noite, entre as principais características podemos incluir abertura dos 
estômatos, fixação líquida de CO2 pela PEPC; com conseqüente acidificação e 
queda nos níveis de amido. Na fase II os estômatos permanecem abertos e a 
fase é caracterizada pela transição entre a atividade da PEPC e da RUBISCO. 
Esta fase ocorre no início da manhã e apresenta um pico característico máximo 
de fixação de CO2, associado a uma alta concentração de malato e uma 
ausência quase total de amido. A fase III, que ocorre na maior parte do dia, os 
estômatos fecham, o malato é descarboxilado com conseqüente desadificação, 
o CO2 é refixado pela RUBISCO e o amido começa a ser novamente 
acumulado. Na fase IV que ocorre no final da tarde os estômatos reabrem e 
esta fase é caracterizada pela fixação líquida de CO2 pela RUBISCO e pela 
PEPC e acúmulo máximo de amido. As fases II e IV são as mais sensíveis às 
variações ambientais (Lüttge, 2004) 
 
 31Na fase III, há duas duas enzimas que liberam o CO2 incorporado no 
malato, a enzima málica dependente de NADP (ME-NADP) e a PEP 
carboxiquinase (PEPCK). Dependendo qual enzima é a predominante, as CAM 
podem ser classificadas em tipo EM-NADP ou tipo PEPCK. 
 
Osmond 1978 
 
O mecanismo CAM é essencialmente de sobrevivência. As plantas que 
desenvolveram o metabolismo CAM são muito plásticas e respondem às 
constrições ambientais, via principalmente controle da abertura estomática. Isto 
significa que as CAM obrigatórias ou constitutivas não são comuns na 
natureza. Essa plantas são incapazes de abrir seus estômatos durante o dia e 
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por isso, o único mecanismo possível é o CAM. Dentro desse grupo podemos 
incluir a Kalanchoe tubiflora. 
A grande maioria das plantas CAM são intermediárias entre CAM-C3, 
também conhecidas como facultativas. Este grupo é altamente plástico e 
responde a estresses ambientais, como déficit hídrico e salinidade, executando 
a fotossíntese CAM. Mas se as condições ambientais melhoram elas voltam a 
fazer fotossíntese como qualquer C3. O abacaxi é um representante importante 
desse grupo. Outros gêneros CAM-C3 são Kalanchoe, Peperomia, Clusia, 
Sedum, Guzmania, e Mesembryanthemum crystallinum 
O terceiro grupo são as CAM recicladoras (CAM idling) que podem 
manter os estômatos fechados por longos períodos. Sua sobrevivência é 
garantida pela reciclagem do CO2 liberado pela respiração, ou seja, não há 
ganho líquido de carbono. Elas não crescem, mas conseguem sobreviver em 
condições extremas de seca, vento, alta luminosidade e escassez nutricional 
(Sipes e Ting 1985). Normalmente são espécies que ocupam nichos como a 
copa de árvores altas e muito expostas. Entre os representantes podemos citar 
a Tillandsia usneoides (barba de velho). Elas são consideradas CAM fortes. 
No último grupo estão as CAM cicladoras, que se comportam como C3 
normais, fechando os estômatos à noite e abrindo durante o dia. Essas plantas 
fixam o CO2 atmosférico no Ciclo de Calvin em carboidratos, no períodoo 
diurno. À noite reciclam o CO2 liberado pela respiração para formação de 
malato. No dia seguinte, o malato acumulado é descarboxilado e o CO2 
remobilizado no Ciclo de Calvin (Sipes e Ting 1985). Ou seja, são plantas que 
aproveitam o melhor de dois mecanismos. Entre as espécies desse grupo 
incluem-se cactáceas como o cacto americano Echinocereus engelmannii. São 
consideradas CAM fracas. 
 
BIBLIOGRAFIA: 
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Gurevitch J, Scheiner SM e FOX GA. 2009. Ecologia vegetal. 2a ed. Artmed, 
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 33
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Sons, New York. 
Lüttge, U. 2004. Ecophysiology of crassulacean acid metabolism (CAM). Annals 
of Botany 93: 629-652, 
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Mohr H, Schopfer P. 1995. Plant physiology. Springer, London. 
Osmond, CB. 1978. Crassulacean acid metabolism: a curiosity in context. 
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Ragavendra, AS. 2000. Photosynthesis: A comprehensive treatise. 
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Sipes DL, Ting IP. 1985. Crassulacean acid metabolism and crassulacean acid 
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Taiz L & Zeiger E. 1998. Plant physiology. 3nd ed. Benjamin Cummings, 
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Taiz L, Zeiger E. 2004. Plant physiology. 3a ed. Artmed, Porto Alegre. 
Taiz L, Zeiger E. 2009. Plant physiology. 4a ed. Artmed, Porto Alegre. 
 
 
 34
	PLANTAS C3
	PLANTAS C4
	Em primeiro lugar são isoformas diferente, que respondem a sinalizadores diferentes. O microambiente para ação dessa enzima nas CAM varia diariamente, em resposta o seu comportamento também varia. Assim podemos identificar duas configurações da PEPC, a noturna e a diurna. Ã noite, quando a temperatura está mais baixa, está ocorrendo acúmulo de malato, quebra de amido e aumento da acidez das células, a enzima PEPC PEPquinase fosforila a PEPC que se torna insensível ao malato. Durante o dia, quando a temperatura está mais alta, ocorre acúmulo de amido, queda nos níveis de malato e aumento do pH das células, a enzima fosfatase desfosforila a PEPC, que é inibida por malato. As duas são interconvertidas via fosforilação.