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FISIOLOGIA VEGETAL Fotossíntese I. Reações luminosas Erick Espinoza Musgos, samambaias, plantas algas Euglena (protistas) Cianobactérias (bactérias) Muitos organismos realizam fotossíntese Oxidação: o sódio PERDE um elétron Redução: o cloro GANHA um elétron Oxidação: o metano PERDE dois átomos de hidrogênio (2e- + 2p+ = 2H) Redução: o oxigênio GANHA dois átomos de hidrogênio (2e- + 2p+ = 2H) 1. Transferência de elétrons Na + Cl Na+ + Cl- REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO (REDOX) 2. Transferência de prótons (H+) e elétrons CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Transportador de energia: ADP (ATP) Transportadores de elétrons: NADP (NADPH), NAD (NADH), FAD (FADH2) ATP = trifosfato de adenosina NADP = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato ENERGIA molécula de alimento molécula oxidada de alimento molécula nova necessária na célula molécula disponível na célula CATABOLISMO ANABOLISMO Transportador inativo Transportador ativo reação energeticamente favorável reação energeticamente desfavorável ENERGIA ENERGIA nCO2 + 2nH2X (CH2O)n + 2nX + nH2O redução oxidação Equação geral da fotossínteses 3CO2 + 6H2O C3H6O3 + 3O2 + 3H2O ∆G = +115 kcal/mol de CO2 fixado Equação da fotossínteses de plantas 3CO2 + 6H2O C3H6O3 + 3O2 + 3H2O A fotossínteses ocorre em dois passos: 1. Reação luminosa Oxidação da molécula de água 2 H2O O2 + 4e - + 4H+ ∆G>0 (requer energia) 2. Reação escura ou do carbono (ciclo de Calvin) Redução do carbono CO2 + 4e - + 2H+ (CH2O) + H2O ∆G<0 (espontânea) corte de uma folha estômato Interior da célula cloroplasto Membrana interna Membrana externa grana estroma tilacoide lume (espaço tilacoidal) veia Luz Cloroplasto Luz Cloroplasto luz Ciclo de Calvin azúcar Panorama geral da fotossínteses e o mecanismo de regulação [CH2O] (açúcar) Ciclo de Calvin Cloroplasto Luz [CH2O] (açúcar) Panorama geral da fotossíntese: as reações luminosas e o ciclo de Calvin estão interconectados A luz possui características tanto de partícula como de onda comprimento de onda l = distância de uma cresta a outra frequência n = número de vezes que passa pelo observador Luz visible comprimento de onda (nm) comprimento de onda (nm) = Incremento da energía Infra- vermelho Micro- ondas Ondas de rádio UVRaios- X Raios gama luz cloroplasto Luz transmitida Luz refletida Luz absorvida Ligações duplas conjugadas dos pigmentos fotossintéticos permitem absorver a energia luminosa Nível de energia baixo Nível de energia alto Absorção de um fóton Estado base do elétron Elétron excitado Emissão de um fóton com menor energia Aceptor de elétron calor Absorção de um fóton e seus três destinos possíveis Absorção de um fóton e seus três destinos possíveis luz Fóton Estado base Estado excitado 2. calor Molécula de clorofila 1. Cadeia transportadora de elétrons 3. fluorescência (emissão de um fóton)E n e rg ia d o e lé tr o n Fluorescência: emissão de fótons reflexão Fluorescência da clorofila calor transmissão absorção LUZ Experimento de Engelmann: clorofila absorve luz azul e vermelha Comprimento de onda (nm) N úm er o de b ac té ria s Bactérias aeróbicas lâmina de microscópio Prisma Luz Filamento de alga fotossistema Seção transversal Membrana do tilacoide cloroplasto células clorofilas Centro de reação Moléculas antena Moléculas coletoras de luz absorção fluorescência Comprimento de onda, nm Cloroplasto Grana Grupo de pigmentos incrustados na membrana Membrana do tilacoide fóton Centro de reação Aceptor primário de elétrons Centro de reação da clorofila a Pigmentos antenaTransferência de energia fotossistema Transferência de elétrons Existem dois fotossistemas (I e II) que trabalham em série na fase luminosa da fotossíntese Bons doadores de eléctrones Bons aceptores de elétrons F lu x o e s p o n tâ n e o d e e lé tr o n s A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- A energia da luz produz oxidantes e redutores que impulsam o transporte de elétrons espontaneamente e- o transporte de elétrons está associado com o transporte de prótons (H+) e a síntese de ATP PSII = fotossistema II PSI = fotossistema I Centro de reação da clorofila Fotossistema de quebra da água Fotossistema de produção de NADPH luz luz Energia para fazerAceptor primário de elétron Aceptor primario de electrón têm duas entradas de energia da luz e funcionam em série, fornecem a energia para o transporte de elétrons desde a água até o NADP Centro de reação da clorofila Mecanismo quimiosmótico, o gradiente de potencial eletroquímico é utilizado para a formação de ATP luz luz estroma Membrana do tilacoide dentro do tilacoide Cadeia transportadora de elétrons ATP sintase Ao ciclo de Calvin Erick Espinoza FISIOLOGIA DOS CULTIVOS Fotossíntese II. Ciclo de Calvin-Benson CARBOIDRATOS Monossacáridos, açúcares simples Triose Hexose Pentose A. gliceraldeído C3H6O3 B. ribose C5H10O5 C. glicose C6H12O6 CARBOIDRATOS o dissacárido sacarose é o açúcar transportado nas plantas glicose frutose sacarose Síntese por desidratação Hidrólise CARBOIDRATOS os polissacáridos (amido) funcionam como formas de armazenamento de energia ou como componentes estruturais as reações luminosas acontecem na membrana dos tilacoides, e o ciclo de Calvin-Benson, no estroma dos cloroplastos a RuBisCO atua como catalisador para a fixação de carbono por RuBP Fosfoglicerato (PGA) tem 3C e por isso é chamado ciclo C3 Açúcar Espaço intermembranal Grana (empilhamento de tilacoides) Membrana externaMembrana interna Canal interconectando tilacoides Tilacoide Estroma (matriz gelatinosa dentro das membranas) Ciclo de Calvin Sol Cloroplasto Por 1 CO2 fixado: 2 NADPH 3 ATP CICLO DE CALVIN 1. Carboxilação: incorporação de moléculas de CO2 por RuBP, reação catalisada pela enzima RuBisCO. 2. Redução: redução de fosfoglicerato a triose fosfato 3. Regeneração: trioses fosfato regeneram o RuBP (aceptor inicial de CO2) CO2 + 5C (RuBP) 2 x 3C (fosfoglicerato) a reação é catalisada pela enzima RuBisCO 3CO2 + 3 x 5C (RuBP) 6 x 3C (fosfoglicerato) 1 x 3C (triose fosfato) é exportada como produto 5 x 3C regeneram 3 x 5C 3 CO2 6 ADP ATP ATP 3 ADP 6 Pi 6x 3-Fosfoglicerato 3C 6x 1,3-Bifosfoglicerato 3C 6x Gliceraldeído-3-fosfato 3C 5x Gliceraldeido-3-fosfato 3C 1x triose fosfato 3C 3x Ribulose-1,5-bisfosfato 5C 3 6 NADPH6 Glicose e outros componentes orgânicos Entrada Saída RuBisCO 6 NADP+ Ciclo de Calvin-Benson 3 CO2RuBP5C 5C 5C Carboxilação FOSFOGLICERATO3C3C 3C3C 3C3C 3C3C 3C3C 3C3C 6 NADPH2 6 ATP TRIOSE-P Redução TRIOSE-P Produto3C 6C 3C TRIOSE-P HEXOSE-P 4C 5C3C TRIOSE-P (3C) ERITROSE-P(4C) XILULOSE-P (5C) 3C 7C TRIOSE-P SEDO-HEPTULOSE-P 5C 5C5C RuP 5C 5C5C 3 ATP RuBP Regeneração Erick Espinoza FISIOLOGIA DOS CULTIVOS Fotorrespiração Fotorrespiração 2 x 3-fosfoglicerato Triose fosfato Ribulose 5-fosfato Glicerato Serina Glicina 2-fosfoglicolato + 3-fosfoglicerato 3-fosfosglicerato (Ciclo de Calvin) RuBP = Ribulose-1,5-bifostato (5 C) RuBisCO= Ribulose-1,5-bifostato carboxilase/oxigenase A enzima RuBisCO que catalisa a carboxilação (fixação de CO2) também pode catalisar a oxigenação (fixação de O2) em aproximadamente 30% das vezes, resultando em glicolato (produto tóxico). Ciclo de Calvin Na rota da fotorrespiração recupera-se de 3 de 4 carbonos (um 3-fosfoglicerato de dois glicolatos) e elimina- se o produto tóxico (glicolato) 2 O2 CO2 2x ribulose-1,5-bisfosfato 5C 2x 3-fosfoglicerato 3C 1x 3-fosfoglicerato 3C 2x glicolato 2C 2x glicolato 2C 1x glicerato 3C 1x glicerato 3C Em altas temperaturas de regiões tropicais (>25 °C) as perdas de carbono pela fotorrespiração podem ser maiores a 25%. A fotorrespiração depende de: - propriedades cinéticas do RuBisCO; - concentração de CO2 e O2; - temperatura O aumento da temperatura diminui mais a solubilidade do CO2 em relação à do O2. Temperatura ⇒ [CO2 / O2] Temperatura ⇒ atividade oxigenase da RuBisCO Temperatura ⇒ fotorrespiração Erick Espinoza FISIOLOGIA VEGETAL Fotossíntese C4 e CAM C3 – 92% plantas (fixação inicial do CO2 catalisada por RuBisCO formando um composto de 3 carbonos) CAM – 7% C4 – 1% (fixação inicial do CO2 catalisada por PEP carboxilase formando um composto de 4 carbonos) Monocotiledôneas Dicotiledôneas Famílias com fotossíntese C4 Ta xa fo to ss in té tic a (f ix aç ão d e C O 2) Concentração de oxigênio C3 C4 e CAM Incrementando a concentração de oxigênio decresce a taxa fotossintética devido ao incremento da fotorrespiração em plantas C3 (maior oxigenação e menor carboxilação da RuBisCO). Em plantas C4 e CAM a fotossíntese não muda com o incremento da concentração de oxigênio. Na fotorrespiração, a enzima RuBisCO catalisa a oxigenação, sem sintetizar açúcares e inclusive perdendo carbonos e energia O que poderiam fazer as plantas para diminuir a fotorrespiração? 1. Afastar a RuBisCO do O2 2. Aumentar a concentrar de CO2 3. Diminuir a concentração de O2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 A enzima PEPCase tem maior afinidade pelo CO2 que a RuBisCO RuBisCO PEP carboxilase PEPCase = fosfoenolpiruvato carboxilase RuBisCO= ribulose-1,5-bifostato carboxilase/oxigenase Algumas gramíneas e outras espécies de plantas adaptadas a climas tropicais distinguem-se das demais por ter: - Maiores taxas de fotossíntese (ausência de fotorrespiração); - Poucas perdas de CO2 (ausência de fotorrespiração); - Anatomia foliar característica (células do feixe vascular); - Baixo consumo de H2O por unidade de matéria seca produzida. Tais características estão relacionadas com o processo de fixação de CO2 através do ciclo C4. Anatomia Kranz (folhas de plantas C4) Células do mesofilo Células da bainha do tecido vascular Células do mesofilo rodeiam as células da bainha tecido vascular Espaço estreio entre veias Células da bainha rodeiam o feixe vascular: em plantas C4 essas células também têm cloroplastos planta células do mesofilo cél. bainha do feixe vascular C3 Cloroplastos RuBisCO Ciclo de Calvin Sem cloroplastos C4 Cloroplastos Sem RuBisCO Cloroplastos RuBisCO Ciclo de Calvin RuBisCO é a molécula com mais nitrogênio da folha. As plantas C4 usam mais eficientemente o nitrogênio que as plantas C3. Eficiência de uso do nitrogênio Planta C3 Planta C4 Estômato aberto Estômato quase fechado A m b ie n te In te ri o r d a f o lh a A m b ie n te In te ri o r d a f o lh a RuBisCO PEPCase Eficiência de uso da água: a diferença das plantas C3, as plantas C4 conseguem manter os estômatos quase fechados. As plantas C4 podem manter os estômatos quase fechados evitando perdas excessivas de água por transpiração. A PEPCase fixa apenas CO2, não precisa manter os estômatos sempre abertos como nas C3. No ciclo fotossintético C4 do carbono, a enzima PEPCase catalisa a carboxilação. A primeira molécula formada tem 4C. Tal molécula é “bombeada” à célula da bainha do feixe vascular onde encontra-se a RuBisCO. célula do mesofilo células da bainha do feixe nervura (tecido vascular) Anatomia foliar C4 célula da bainha do feixe feixe vascular açúcar PEPCase RuBisCO Oxalacetato 4C Malato 4C Piruvato 3C célula do mesofilo estômato Células fotossinte- tizantes de plantas C4 Alta concentração de CO2 Requerimento adicional de energia da fotossíntese C4 Plantas CAM PEP = fosfoenolpiruvato PEPCase = fosfoenolpiruvato carboxilase RuBisCO= ribulose-1,5-bifostato carboxilase/oxigenase descarboxilação 1era carboxilação 2da carboxilação Ciclo Calvinestômato fechado estômato aberto noite dia amido ácido 3C Ácido málico 4C ácido 4C Fotossíntese CAM (metabolismo ácido das crassuláceas): abrem estômatos na noite para evitar perdas excessivas de água por transpiração PEP PEPCase Noite: estômato aberto Dia: estômato fechado Plantas CAM abrem seus estômatos e fixam CO2 na noite, quando a umidade é maior e a transpiração menor. Amido Célula do mesofilo Componente 3C Cloroplasto Vacúolo PEPCase Ácido orgânico 4C Ácido orgânico 4C O CO2 é armazenado como um ácido orgânico de 4C nos vacúolos Durante o dia, as plantas CAM fecham seus estômatos para limitar perdas de água por transpiração Os ácidos orgânicos armazenados liberam CO2 ao ciclo de Calvin Ácido orgânico 4C Vacúolo Cloroplasto Amido Componente 3C Célula do mesofilo Separação espacial Separação temporal noite dia Células do mesófilo Células da bainha do feixe vascular 1 CO2 incorporado em um ácido orgânico de 4C 2 os ácidos orgânicos liberan o CO2 ao ciclo de Calvin Cana-de-açúcar Abacaxi Ácido orgânico Ácido orgânico Açúcar Açúcar doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198044.g002 plantas carros Mecanismo de concentração Ciclo básico Componente de armazenamento B o m b a d e C O 2 C ic lo d e C al v in C o n tr o le c ir ca d ia n o A rm az en am en to d e C O 2 tu rb o co m p re ss o r C ic lo d e O tt o C o n tr o le e le tr ô n ic o A rm az en am en to d e b at er ia açúcar A lt a co n c. d e C O 2 O 2 c o m p ri m id o pistão escapamento escapamento Oxalacetato (4C) Malato Piruvato (3C) Malato no vacúolo Câmara subestomática Divisor de potência Bateria e gerador Motor eletrônico Partição dos produtos da fotossíntese parede celular lipídeo tilacóidemembrana do cloroplasto amido Assimilação: os ingredientes Planta > Folha > Estômato O OC H H O C H H O CO2 + H2O CO2 + H2O O O CH2O + O2 C H H O CO2 + H2O CH2O + O2 Ultravioleta < 400 nm infravermelho > 800 nm Radiação fotossinteticamente ativa (PAR) ~ 50% radiação global Câmara Medidor de fotossíntese foliar Assimilação: Resposta à luz 900 1800 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) [mol m-2 s-1] O O C 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 3 – 3 = 0 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 3 – 2 = 1 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 3 – 1 = 2 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 900 1800 [mol m-2 s-1] 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) O O C 3 – 1 = 2 Amax 𝐴 = 𝐴𝑚𝑎𝑥 . 1 − 𝐸𝑋𝑃 −𝐼𝑎 . 𝜀 𝐴𝑚𝑎𝑥 C3 C4 Amax 900 1800 [mol m-2 s-1] A : taxa de assimilação real de uma folha Amax : taxa de assimilação máxima ou nível de saturação por luz Ia : quantidade de radiação absorbida : Eficiência de uso da luz inicial 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) Amax 𝐴 = 𝐴𝑚𝑎𝑥 . 1 − 𝐸𝑋𝑃 −𝐼𝑎 . 𝜀 𝐴𝑚𝑎𝑥 C3 C4 Amax Tipo de planta Amax (EUL) inicial kg CO2 ha -1 h-1 kg CO2 ha -1 h-1 / J m-1 s-1 g CO2 J -1 C3 40 0,45 12,5 C4 80 0,45 12,5 900 1800 [mol m-2 s-1] Tipo de planta Amax (kg CO2 ha -1 h-1) (EUL) inicial 20 C 30 C kg CO2 ha -1 h-1 / J m-1 s-1 g CO2 J -1 C3 40 20 0,45 12,5 C4 40 80 0,45 12,5 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] C3 C4 𝐴 = 𝐴𝑚𝑎𝑥 . 1 − 𝐸𝑋𝑃 −𝐼𝑎 . 𝜀 𝐴𝑚𝑎𝑥 0 25 Temperatura (C) 50 100 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C O 2 ha -1 h- 1 ] Intensidade da luz (IPAR) 𝐴 = 𝐴𝑚𝑎𝑥 . 1 − 𝐸𝑋𝑃 −𝐼𝑎 . 𝜀 𝐴𝑚𝑎𝑥 C3 C4 CO2 C3+CO2 C4+CO2 900 1800 [mol m-2 s-1] C H H O 25 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C H 2O h a- 1 h- 1 ] HH 10 20 Ta xa d e tr an sp ira çã o [m 3 H 2O h a- 1 h- 1 ] transpiração & assimilação >100 L H2O 300 200 100 T ra ns pi ra çã o / a ss im ila çã o [L H 2O k g- 1 C H 2O 1800 3600 R global [mol m-2 s-1] 25 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C H 2O h a- 1 h- 1 ] 10 20 Ta xa d e tr an sp ira çã o [m 3 H 2O h a- 1 h- 1 ] transpiração & assimilação 300 200 100 T ra ns pi ra çã o / a ss im ila çã o [L H 2O k g- 1 C H 2O 1 kg CH2O 1800 3600 R global [mol m-2 s-1] 25 50 Ta xa d e as si m ila çã o br ut a [k g C H 2O h a- 1 h- 1 ] 10 20 Ta xa d e tr an sp ira çã o [m 3 H 2O h a- 1 h- 1 ] transpiração & assimilação 300 200 100 T ra ns pi ra çã o / a ss im ila çã o [L H 2O k g- 1 C H 2O 1 kg CH2O >200 L H2O Vento quente 1800 3600 R global [mol m-2 s-1] >200 L H2O 1 kg CH2O x 340 kg CH2O ha -1 d-1 (assimilação bruta diária) 70.000 L H2O ha -1 d-1 Demanda de transpiração 7mm H2O d -1 200 kg MS ha-1 d-1 350 L (H2O) kg -1 (MS) Coeficiente de transpiração 200 kg MS ha-1 d-1 30 kg MS mm-1 (H2O) Eficiência do uso da água transpiração acumulada cultivo genérico 500 mm set jan mar 5 T ra ns pi ra çã o [m m H 2O d -1 ] 100 200 R ad ia çã o gl ob al [G J ha -1 di a- 1 ] 10 Transpiração potencial de um cultivo Transpiração diária potencial CULTIVO PRODUÇÃO kg MST ha -1 COEF. TRANSP. L H2O kg -1 MST USO DE ÁGUA mm H2O EUAT kg MST mm -1 H2O ÍNDICE DE COLHEITA MSC MST -1 EUAC kg MSC mm -1 H2O trigo (C3) 20.000 200-325 525 40 0,5 20 batata (C3) 20.000 150-250 400 50 0,8 40 milho (C4) 40.000 125-250 750 50 0,5 25